Основное назначение турбины 2 страница

2) от разности давлений. Это усилие мы можем определить из закона количества движения.

 

Рисунок 25.

P_u’ – реактивное усиление стенок на струю пара;

u– окружная скорость.

P_u’δt = - (c_1u δ_m - c_2u δ_m)

P_u’ = - δ_m/ δt (c_1u- c_2u)

G= δ_m/ δt– секундный расход массы.

P_u’ = G (c_1u- c_2u)

P_u – усиление (проекция на направления определенной скорости), с которой струя пара действует на лопатки, т.е. та самая мощность, которая развивается.

P_u = -P_u’ = G (c_1u- c_2u) = G (c₁ ∙ cos α₁ +c₂ ∙ cos α₂) [Н],

N_ол – мощность, развившаяся паром на лопатках.

N_ол= P ∙ U=G ∙ u (c₁ ∙ cos α₁ +c₂ ∙ cos α₂) = G/2 (c₁² -c₂² +w₂² -w₁²) [H∙м/c]

N_ол= G/2000 (c₁² -c₂² +w₂² -w₁²) [кВт]

Коэффициент полезного действия на лопатках турбинной ступени

η_ол – внутреннийотносительный КПД на лопатках.

η_ол =(h₀ - h_c - h_л - h_вc)/h₀=1- h_c/ h₀ – h_л/ h₀ - h_вс/ h₀ = 1 – ξ_c – ξ_л - ξ_вс

h₀ (Н_а ) – располагаемый теплоперепад ступени.

Рисунок 26.

η_ол = 1 – ξ_c – ξ_л - ξ_вс

Изменение η_ол в зависимости от характеристического коэффициента u/c₁

η_ол = f (u/c₁)

h_c = h₀(1- φ²)

ξ_c = 1- φ²

ξ_c = h_c/ h₀

 

Лекция 10.

Рисунок 27.

ξ_c = h_c/ h₀=[ h₀(1- φ²)]/ h₀

u/ c ₁= cos α₁/2z, где z – число венцов рабочих лопаток.

z=1 – ступень давления, если z>1 – ступень скорости.

Рисунок 28. Реактивная ступень

где ξ_уп – утечки-перетечки.

Внутреннее относительное КПД ступени η_oi

Потери на трение вентиляции, потери, относящиеся к реактивным ступеням, потери на утечку-перетечку.

η_oi^{акт. ст.} = η_ол - ξ_тв

η_oi^{реакт. ст.} = η_ол – ξ_уп

η_oi^. = 1- ξ_c – ξ_л - ξ_вс - ξ_тв– ξ_уп

η_oi = [0,75;0,85]

В турбинах небольшой мощности η_oiбывает и 0,7, но не меньше.

Рисунок 29.

Многоступенчатые ступени.

Мощность ступени определяется по формуле:

N_ст = G*H_a

[кВт] = [кг/ч]*[кДж/кг]

 

Для выработки 1 кВт энергии требуется 860 ккал

860N_cт = D*Н_а

[ккал/кВт·ч]*[кВт] = [кг/ч]*[ккал/кг]

 

Н_а = i₀ – i_ka

где: i_ka – энтальпия пара на выходе из турбины в идеале

 

860N_{турбины} = D*(i₀ – i_ka)*η_oi*η_м*η_г

[ккал/ кВт·ч]*[кВт] = [кг/ч]*[ккал/кг]

где: 0,96 ≤ η_м ≤ 0,98

0,98 ≤ η_г ≤ 0,99

0,96 ≤ η_м*η_г ≤ 0,97

 

Если учесть, что

η_oi = H_д/Н_а = (i₀ – i_k)/(i₀ – i_ka),

то формула примет вид: 860N_{турбины} = D*(i₀ – i_k)*η_м*η_г

[ккал/ кВт·ч]*[кВт] = [кг/ч]*[ккал/кг]

либо

3600 N_{турбины} = D*(i₀ – i_k)*η_м*η_г

[кДж/кВт·ч]*[кВт] = [кг/ч]*[кДж/кг]

 

 

P₀

i i₀ t₀

Р₁

Р₂ H_д

H_a

Р₃

i_k Р₄

i_ka

s

Рисунок 30.

 

теплоперепад ≈ 34 ккал/кг

Преимущества многоступенчатых турбин.

1. возможность срабатывания большого теплоперепада, следовательно, больше мощность турбины;

2. каждая ступень в многоступенчатой турбине работает в оптимальных условиях, следовательно это дает возможность при срабатывании большого теплоперепада иметь достаточно высокий КПД турбины;

3. в многоступенчатых турбинах потери с выходной скоростью предыдущей ступени можно полезно использовать в последующих ступенях, при этом коэффициент возврата тепла достигает ≈ 3-8%;

4. в многоступенчатых турбинах можно допускать достаточно большой расход пара, что ведет к увеличению мощности турбины;

5. в многоступенчатых турбинах можно осуществить отбор пара

– регенеративный

– регулированный отбор пара на производство и теплофикацию.

–

Лекция 11.

η _0i^турбин = η_0i^ст (1+ α)

 

где α – коэффициент возврата тепла; изменяется в пределах от 0,03 до 0,08

α = Q/H

Система КПД паротурбинных установок.

Абсолютное КПД – отношение тепла, превращающееся в работу, ко всему подведенному теплу. Он характеризует в конечном итоге эффективность использования топлива.

 

Относительное КПД – отношение тепла, превращающегося в работу в действительных условиях, к теплу, которое могло было бы превратиться в работу в идеальных условиях. Характеризует в конечном итоге степень совершенства проточной части турбины.

 

название	Абсолютный КПД	Относительный КПД	Мощность
Термический КПД	ηt = La/Qподв = = (i0 – ika)/(i0 – i’k)		Na
Внутренний КПД	ηi = Liдейств/Qподв = = (i0 – ik)/(i0 – i’k) = = ηt*η0i	η0i = (i0 – ik)/(i0 – ika)	Ni = Na *η0i
Эффективный КПД	ηe = ηi*ηм = ηt*η0i*ηм = ηt*η0e	η0e = η0i*ηм	Ne = Ni*ηм
Электрический КПД	ηэ= ηe*ηг= =ηt*η0i*ηм*ηг = ηt*η0э	η0э = η0e*ηг = η0i*ηг*ηм	Nэ = Nе*ηг = = Na*η0i*ηм*ηг

 

Где η_м – потери, учитываемые в подшипниках турбины

η_г – потери в генераторе

 

Всякий абсолютный КПД равняется термический КПД умноженный на свой относительный КПД (без учета работы насоса)

 

Влажность на последних ступенях турбины; меры борьбы с ней.

х=1 – сухой насыщенный пар. Правая пограничная кривая для is- диаграммы, а для s – верхняя пограничная кривая. y – влажность, х - сухость. y = 1-х, х = 1-y

Допустимая влажность на последних ступенях турбины не должна превышать 12-14%

Рисунок 31

Рисунок 32.

u – окружная скорость, с₁в – влага. Процесс расширения пара для турбины с промежуточным перегревом. Меры борьбы – промежуточный перегрев. Все современные паровые турбины на за критических параметрах пара, начиная со 130 Атм, имеют промежуточный перегрев пара. Промежуточный перегрев пара бывает газовый, паровой и с промежуточным теплоносителем.

Рисунок 33.

 

Характеристический коэффициент многоступенчатых турбин.

u/с₁ = cos α₁/2 – оптимально для одной ступени

Теплоперепад в ступени активного типа:

h_ст = с_1а²/2 = с_1а²/2φ² ∙ u²/u² = u²/2φ² ∙ 1/(u/c₁)²

Σh_c = H_турб = Σ[u²/2φ² ∙ 1/((u/c₁)²)]

H_турб = Σu²/[2φ² ∙ (u/c₁)²]

Σu²/ H_турб = Y – характеристический коэффициент турбины

 

Лекция 12.

Способы увеличения единичной мощности турбины.

860 Nэ = D ∙ H ∙η_м ∙ η_г

[ккал/кВт ∙ ч] [кВт] = [кг/ч] ∙ [ккал/кг]

3600 Nэ = D ∙ H_д ∙η_м ∙ η_г

[кДж/кВт ∙ ч] [кВт] = [кг/ч] ∙ [кДж/кг]

увеличивать Д, расход пара

Рисунок 34.

 

Высота лопаток растет, высота сопловой лопатки не менее 15 см. Увеличение проходного истечения за счет диаметра и высоты лопатки.

Коэффициент механической прочности:

d/l = υ >3,

где d – диаметр лопатки, l – высота лопатки.

Выработав до конца высоту лопатки – определяем предельную мощность турбины.

Предельная мощность турбин в одном потоке определяется проходным сечением (высотой лопатки) последней ступени турбины.

 

Рисунок 35.

- выходное сечение последней ступени.

Двухъярусные лопатки Баумана.

Для турбин влажного пара снижение чисел оборотов:

Nэ = f (1/n²) – увеличение мощности.

Турбина, работающая на перегретом паре за счет увеличения числа частей низкого давления. У турбины К-300 имеется три выхлопа. У турбины К-500 имеется четыре выхлопа, а у К-800 – шесть выхлопов.

Работа турбины при переменном режиме.

Для того чтобы система работала при переменном режиме, должна быть система регулирования. В каждой системе регулирования должно быть, как минимум, трех элементов:

1) регулятор - орган, способный изменить нарушенное равновесие между нагрузкой и мощностью; и дать команду на восстановление этого равновесия.

2) парораспределительное устройство – регулирующий орган, воздействием на который можно изменить поступление пара в турбину для изменения ее мощности.

3) Исполнительный механизм – орган, связывающий регулятор с парораспределительным устройством.

Все российские турбины оснащены регулятором скорости, теплофикационные трубы оснащены также и регулятором давления.

Парораспределительное устройство.

Типы:

1. дроссельная (качественная);

2. сопловое парораспределение (количественное);

3. обводное парораспределение (байпассный).

Дроссельное парораспределение – это такое, при котором весь пар в турбину пропускается через один, максимум два регулирующих клапана. Открытие и закрытие этого клапана регулируется в зависимости от нагрузки. Когда дроссельный клапан полностью открыт, турбина вырабатывает 100% мощности. При других режимах дроссельный клапан открыт частично и поэтому происходит мятие всего пара (дросселирование), что приводит к уменьшению его качества, поэтому дроссельное парораспределение применяется в тех случаях, когда турбина работает с постоянной нагрузкой, т. е. в базисной части графика нагрузки.

Рисунок 36.

Рисунок 37.

p_к – конечное давление, oo’ – постоянная энтальпия.

η_oi = η’_oi ∙ η_др,

где η’_oi – внутреннее относительное КПД без учета дросселирования, η_др – КПД дросселирования. Дроссельное парораспределение – постоянная работа турбин.

Сопловое парораспределение – это такое, при котором впуск пара в турбину управляется несколькими регулирующими клапанами, при этом каждый регулирующий клапан обслуживает свою группу сопел.

Турбинная ступень состоит из двух частей: сопла и каналы рабочего колеса.

Рисунок 38.

1 регулирующий клапан обслуживает I группу сопел, 2 регулирующий клапан обслуживает II группу сопел, 3 регулирующий клапан обслуживает III группу сопел. Пар, который проходит через 1 регулирующий клапан мнется, а остальной – не мнется. Эта схема парораспределения выгодна тогда, когда турбина работает с переменной нагрузкой, в послепиковой части нагрузки.

 

Рисунок 39.

Байпассное парораспределение – применяется в совокупности либо с дроссельным, либо с сопловым парораспределением. Часть пара пропускается через сразу промежуточную ступень, проходное течение больше, следовательно, больше пара можно пропустить.

Если рассматривать удельный расход пара d = Д/N [кг/кВт ч], где N – мощность [кВт], Д – расход пара [кг/ч]

Рисунок 40.

Чем меньше удельный расход пара, тем выгоднее данная турбина, лучше технические показатели, экономически более выгодно.

Только при 100% нагрузке дроссельное парораспределение становится более выгодным, чем сопловое.

 

Принципиальная схема регулирования и маслоснабжения конденсационной турбины.

Рисунок 41.

 

Если у нас нагрузка снизилась, следовательно, система регулирования должна отработать таким образом, чтобы пропускать меньше пара, чтобы клапан опустился. Поршни золотника пошли вверх. Масло подается главным насосом в межпоршневое, надпоршневое пространство. Сервомотор – усилитель. Те небольшие передвижения золотника он усиливает.

860 N_э = D (i₀ -i_k) ∙ η_м η_г – мощность турбины прямопропорциональна расходу пара.

Определение расхода пара через турбину при переменной нагрузке.

Под полной мощностью понимают номинальную мощность или максимально длительную мощность, т.е. такую мощность, при которой турбина может работать длительное время без ущерба для механической прочности и с достаточно высоким КПД.

Расчетная мощность турбины соответствует ее экономическому режиму работы с максимальным КПД и является экономической мощностью.

N_эк = (0,8 ÷ 1,0) N_a

Рисунок 42.

Экономическая мощность может отличаться на 20%.

Данная зависимость начинается с какой-то точки расход пара на холостой ход D_хх.

X = D_хх /D_н, где Д_н – расход пара при номинальной нагрузке.

D_хх = X∙ D_н, где X – коэффициент холостого хода. X = 5% для конденсационных турбин, X = 8 ÷ 10% для теплофикационных турбин.

d = D/N, Д_н = d_н ∙ N_н, d_н = D_н/N_н,

где d_н = [кг/кВт ∙ ч]– удельный расход пара.

D_хх = x ∙ d_н ∙ N_н,

N/N_н = β – отношение текущей мощности к номинальной – коэффициент нагрузки β. 0 ≤ β ≤ 1.

Уравнение мощности или уравнение расхода для турбин без отборов.

D = 860 / (i₀ -i_k) ∙ η_м η_г – удельный расход пара для турбины без отборов.

N_эк = N_н

Рисунок 43.

y = ax + b

y = D

x = N

b = D_хх

a = (D_н - D_хх) / N_н

D = (D_н - D_хх)/ N_н ∙ N + D_хх = x ∙ d_н ∙ N_н + (1-x) d_н ∙ N = D

D_н - D_хх = D_н - x ∙ d_н ∙ N_н = d_н ∙ N_н - x ∙ d_н ∙ N_н= (1-x) d_н ∙ N_н

D = x ∙ d_н ∙ N_н + (1-x) d_н ∙ N – уравнение мощности для турбин без отборов.

D = D / N = (x ∙ d_н ∙ N_н)/N +(1-x) d_н = x ∙ d_н ∙ 1/β + (1-x) d_н, при N=N_н ð d = d_н – без отбора.

N/N_н= β

d = x ∙ d_н ∙ 1/β + (1-x) d_н (без отборов)

Если x = 0 ð не будет зависеть от β, d = const

 

Уравнение мощности или уравнение расхода для турбин c отборами.

Рисунок 44.

Рисунок 45.

D = D₁ + D₂ + D_к

N = N₁ + N₂ + N_к

860 N₁ = D₁ (i₀ –i₁) ∙ η_м η_г

860 N₂ = D₂ (i₀ –i₂) ∙ η_м η_г

860 N_к = D_к (i₀ -i_k) ∙ η_м η_г

D_к = D - D₁ – D₂

860 (N₁ + N₂ + N_к) = η_м η_г [D₁ (i₀ –i₁) + D₂ (i₀ –i₂) + D - D₁ – D₂(i₀ -i_k)]

(860 N) / (η_м η_г) = D₁ (i₀ –i₁) + D₂ (i₀ –i₂) +D(i₀ -i_k) - D₁ (i₀ -i_k) - D₂(i₀ -i_k)

(860 N) / (η_м η_г) = D(i₀ -i_k) + D₁ (i₁ -i_k) - D₂(i₂ -i_k)

D₁i_o - D₁i₁ - Д₁i_o - D₁ i_k = - D₁ (i₁ -i_k)

Разделим левую и правую части уравнения на ( i₀ -i_k)

860 / (i₀ -i_k) η_м η_г = D - D₁(i₁ -i_k)/ (i₀ -i_k) - D₂(i₂ -i_k) / (i₀ -i_k),

гдеy₁= (i₁ -i_k)/ (i₀ -i_k), y₂ = (i₂ -i_k) / (i₀ -i_k ) – коэффициенты недовыработки электроэнергии.

y = 1 ÷ 0

_{без отбора с отбором}

dN= D - y₁ D₁ - y₂ D₂

_{с отбором без отбора}

D = dN + y₁ D₁ + y₂ d₂ = dN + ,

n – число отборов, n = 2

_{с отбором}

D = x ∙ d_н ∙ N_н + (1-x) d_н ∙ N + - уравнение расхода для турбин с отборами.

_{с отбором без отбора}

Если N = N_н ð D = d_н ∙ N_н + ,

при чем в этом случае удельный расход пара без отбора будет равен:

_{с отбором без отбора}

d_н = d_н + (Σ y_j D_j) / N_н

_{с отбором без отбора}

D = dN_н

_{с отбором без отбора}

d_н = d_н + (Σα_j y_j D_j) / N_н

_{с отбором без отбора с отбором}

d_н = d_н + Σα_j y_j d_н

D_j = α_j ∙ D_н

α_j = D_j / D_н – в долях.

_{с отбором с отбором без отбора}

d_н = Σα_j y_j d = d_н

_{с отбором без отбора}

d_н = d_н / (1- Σ α_j y_j)

Лекция 13.

Конденсационные устройства.

η_t =(i_o – i_ка)/ i_o – i’_к)

Чем меньше энтальпия на выходе из турбины, тем выше КПД пара. Главная задача конденсатора – сделать давление ниже атмосферного, сконцентрировать пар.

Кроме конденсатора, необходим еще и конденсатный насос для работы конденсатора. Охлаждающую воду подает тоже насос, насос охлаждающей воды или циркуляционный насос.

Воздухоотсасывающие устройства - эжекторы.

Трубки для охлаждающей воды делаются из латуни (медь – 68%, цинк – 32%) диаметром приблизительно 28-30 мм - внешний диаметр, толщина стенки примерно 1 мм. Если морская вода, то медно-никилиевые (медь -70%, никель – 30%). Стальные трубы применять нельзя, поскольку они поддаются коррозии. Конденсатор имеет свои опоры.

Конденсаторы поверхностного типа – нигде пар не соприкасается с водой. На всех наших станциях стоят конденсаторы поверхностного типа. Смешанного типа конденсаторы используются на паровых машинах.

 

Тепловой баланс конденсатора.

1) Тепловой баланс

Рисунок 46.

где j = 1,9

Конденсация идет при постоянной температуре и давлении. Отбор регенеративного типа организует поток пара таким образом, чтобы он огибал и снизу подогревал этот конденсатор.

D_к (i_к –i’_k) = G_в ∙ С_в ∙ ((t_в2 – t_в1)

[кг/ч] ∙ [ккал/кг] = [кг/ч] ∙ [ккал/ кг ∙ град.] ∙ [град.]

D_к – тепло, которое пар отдает охлаждающей воде, t_в1 – охлаждающая вода на входе, t_в2 – охлаждающая вода на выходе.

Расход охлаждающей воды: G_в = D_к (i_к –i’_k)/ С_в ∙ (t_в2 - t_в1),