Расчет процесса в паротурбинной установке

При расчете нагрузки паровой турбины (ПТ) следует учитывать количество работающих газовых турбин, т.е. расчет блока ПГУ (2 ГТ и ПТ) или полублока (1 ГТ и ПТ) (рис. 1). При расчете нагрузки ПТ с работой двух равнонагруженных ГТ необходимо, с учетом работы двух КУ, соответственно увеличить в два раза расход пара контуров высокого и низкого давлений, генерируемых каждым котлом.

В случае, если обе ГТ работают с разной нагрузкой, то при расчете паропроизводительности каждого КУ следует принимать одинаковые параметры пара (давление и температуру), но значения расходов пара из контуров высокого и низкого давлений каждого котла-утилизатора будут различными.

Следует также учитывать, что при работе полублока (1 ГТ и ПТ), расходы пара из контуров ВД и НД будут соответствовать номинальным значениям производительности КУ, но давления пара в указанных контурах будут значительно ниже (), т.е. потребуется уточнение указанных параметров на основе проектных данных.

 

Рис. 23. Расчетная схема турбины К-110-6,5 (Режим номинальный: 2хГТ 100%, t_Н.В. = 15 ^OC)

 

Расчет процесса расширения пара в ПТ производится по традиционной методике при следующих условиях (рис. 24).

1. Параметры пара перед паровпускными органами ЦВД (перед СК и РК) определены при расчете КУ.

2. РК полностью открыты, т.к. нагрузка ПГУ регулируется нагрузкой ГТ. Потеря давления пара в СК и РК ВД при полном открытии РК составляет 3 ¸ 5% [22].

3. Давление за 14-ой ступенью ЦВД определяется по формуле Стодолы-Флюгеля для докритического режима работы группы ступеней [22]:

D_0n/ D₀₀ = [(p_0n² – p_2n²)/ (p₀₀² – p₂₀²)] ^0,5 →

→ p₂^1-14 = p_2n = [p_0n² – (D_0n²/ D₀₀²)∙((p₀₀² – p₂₀²))] ^0,5, (7.1)

где: D_{00 ВД} = D₀₀ – для расчетного режима; D_{0n ВД} = D_{0 ВД} = D_0n – для рассматриваемого режима работы турбины; p₀₀, p_0n – соответственно, давления пара перед группой ступеней в расчетном режиме и рассматриваемом режиме, бар (МПа); p₂₀, p_2n – соответственно, давления пара за группой ступеней в расчетном режиме и рассматриваемом режиме, бар (МПа).

Согласно [23] примем следующие данные расчетного режима 1-й ÷ 14-й ступеней для вычисления по формуле Флюгеля:

; . (7.2)

 

4. Значение относительного внутреннего КПД h_оi^1-14 можно оценить по приближенной эмпирической формуле для группы ступеней малой верности (ступени с сопловыми и рабочими лопатками небольшой длины: θ = d_ср / ℓ > 8 ¸ 10):

h_оi ^1-14 = (0,92 – 0.2/(D_{0 ВД}∙υ_ср))∙(1+(H₀^1-14 - 7∙10²)/2∙10⁴). (7.3)

Здесь: D_{0 ВД} – расход пара через сопла первой ступени ЦВД, кг/с; υ_ср = (υ_О^´ _ВД ∙ υ₂ ^1-14)^0,5 – средний удельный объем пара в проточной части ЦВД, м³/кг; υ₂ ^1-14 – удельный объем пара за ступенями №1-14, м³/кг; H₀^1-14 – располагаемый тепловой перепад проточной части ЦВД, кДж/кг.

 

 

Рис. 24. Процесс расширения пара в h,s-диаграмме для турбины К-110-6,5

 

5. После расчета отсека ЦВД (ступени №1-14) выполняется расчет параметров пара в камере смешения ЦВД.

В камере ЦВД, между 14-ой и 15-ой ступенями, происходит смешение потоков пара ступеней №1-14 пара контура НД КУ:

D_СМ = D_{0 ВД} + D_{0 НД}, (7.4)

где: D_СМ – расход пара из камеры смешения через 15-ю ¸ 19-ю ступени ЦВД в рассматриваемом режиме, кг/с; D_{0 ВД} – расход пара через 14-ю ступень ЦВД в рассматриваемом режиме, кг/с; D_{0 НД} = (D_{ПП НД} – D_СН) – расход пара в рассматриваемом режиме в камеру смешения из контура НД КУ, за вычетом расхода пара в коллектор собственных нужд (D_СН ≈ 0,006 ∙ D_{ПП НД}), кг/с).

 

Теплосодержание пара на входе в 15-ю ступень ЦВД определится из теплового баланса камеры смешения:

h _СМ = (h_{2 ВД} ∙ D_{2 ВД} + h_{0 НД} ∙ D_{0 НД}) / D _СМ. (7.5)

Давление в камере смешения определится по формуле Стодолы-Флюгеля:

p_СМ = [ (D_СМ / D_{СМ 0})² ∙ (p_{СМ 0}² – p_{К 0}²) + p_К ²]^0,5. (7.6)

Здесь:

а) в расчетном режиме (проектные данные) параметры пара в камере смешения приведены в табл. 4. Давления и расходы пара в таблице представлены из условия работы блока ПГУ (2 ГТ и ПТ) на номинальной нагрузке.

б) в рассчитываемом режиме: p_СМ – давление пара в камере смешения, бар;

p_К ≈ p_{К 0} – давление пара за последней ступенью турбины в конденсаторе, бар.

Таблица. 4. Опорные параметры для расчета котла-утилизатора П-88

Наименование	Обозначение	Размерность	Значение
Давление пара перед СК ВД		бар	68,49
Давление пара перед соплами 1-й ступени ЦВД		бар	68,44
Потеря давления в СК и РК ЦВД		%	3,0
Расход пара из контура ВД в ЦВД		кг/с	85,275
Давление пара в камере смешения		бар	6,5
Расход пара из контура НД в камеру смешивания		кг/с	20,0
Суммарный расход пара из камеры смешивания		кг/с	105,275
Расчетное давление за последней ступенью турбины (в конденсаторе)		бар	0,0509

 

 

Пренебрегаем значениями p_{К 0}² и p_К ² ввиду их малости, получаем формулу для определения давления в камере смешения:

p_СМ = (D_СМ / D_{СМ 0}) ∙ p_{СМ 0}. (7.7)

 

6. Давление пара для рассчитываемого режима за последней ступенью ЦВД определяется по формуле Стодолы-Флюгеля:

D_0n²/ D₀₀² = [(p_0n² – p_2n²)/ (p₀₀² – p₂₀²)] ^0,5 →

→ p_2n^ЦВД = [p_0n² – (D_0n²/ D₀₀²)∙((p₀₀² – p₂₀²))] ^0,5. (7.8)

Здесь: D₀₀ = D_{0 СМ} = 105,3 кг/с – расход пара из камеры смешения для расчетного режима в ступени ЦВД №№15 ¸19; D_0n = D_СМ – расход пара из камеры смешения для рассматриваемого режима работы в ступени ЦВД №№15 ¸19; p₀₀ = p_{СМ 0} - давление в камере смешения для расчетного (проектного) режима работы; p_0n = p_СМ - давление в камере смешения для рассчитываемого режима работы; p₂₀ = 1,64 бар (1,67 кгс/см²) – давление на выходе ЦВД для расчетного режима работы турбоустановки.

 

Параметры пара в изоэнтропийном процессе расширения пара за ступенью №19 (за ЦВД) определяются с учетом того, что процесс в ЦВД может заканчиваться в области влажного пара.

Значение относительного внутреннего КПД ступеней ЦВД №№ 15¸19 (h_оi^15-19) можно оценить по приближенной эмпирической формуле для группы ступеней малой верности (ступени с сопловыми и рабочими лопатками небольшой длины: θ = d_ср / ℓ > 8 ¸ 10):

h_оi^15-19 = (0,92 – 0.2/(D_СМ ∙υ_ср))∙(1+(H₀^15-19 – 7∙10²)/2∙10⁴)∙k_вл. (7.9)

Здесь: D_СМ – расход пара через сопла 15-ой ступени ЦВД, кг/с;

υ_ср = (υ₀¹⁵ ∙ υ₂¹⁹)^0,5 – средний удельный объем пара в проточной части ступеней №№ 15¸19 ЦВД, м³/кг; H₀^15-19 – располагаемый тепловой перепад проточной части ЦВД, кДж/кг; k_вл = 1 – 0,4∙(1 – γ_вл)∙ y₂^ЦВД ∙(H_{0 ВЛ}^15-19 / H₀^15-19) – коэффициент, учитывающий потери энергии пара в ступенях ЦВД, работающих во влажном паре: где: γ_вл = 0,1 – коэффициент [22, 24]; y₂^ЦВД – степень влажности пара в действительном процессе за ЦВД; H_{0 ВЛ}^15-19 – часть располагаемого теплового перепада (H₀^15-19), находящегося в зоне влажного пара (то есть ниже пограничной кривой x = 1 в h,s-диаграмме).

 

7.Параметров пара перед ЦНД определяются с учетом процессов в ресиверах и выносных сепараторах пара.

Потеря давления пара (p_2n^ЦВД) в перепускных трубах (ресиверах) из ЦВД в ЦНД (∆p_РЕС) и в выносных сепараторах (∆p_С):

∆p₂ = ∆p_РЕС + ∆p_С = (0,02 ¸ 0,03) ∙ p_2n^ЦВД. (7.10)

Давление пара перед соплами первой ступени ЦНД

p_О ^ЦНД = p_2n^ЦВД – ∆p₂. (7.11)

Если на ПТ установлен сепаратор, то значение коэффициента сепарации влаги (КПД сепаратора) рекомендуется принимать φ = 0,98.

φ = G_СЕП / G₂ ^I, (кг/с) /(кг/с). (7.12)

Здесь: G_СЕП – массовый расход сепарата (вода), выведенного в сепараторе из потока пара, кг/с; G₂ ^I – массовый расход влаги на входе в сепаратор, то есть содержащейся в насыщенном (влажном паре) после ЦВД, кг/с.

 

Массовый расход влаги на входе в сепаратор (G₂ ^I) можно определить исходя из определения степени влажности пара:

y₂ ^ЦВД = 1 – x₂ ^ЦВД = G₂ ^I / (G₂ ^I + D₂ ^II) = G₂ ^I / D₂^ЦВД → G₂ ^I = y₂ ^ЦВД ∙ D₂^ЦВД, (7.13)

где: D₂^ЦВД = D_СМ – расход влажного пара из ЦВД в сепаратор, кг/с; G₂ ^I – масса влаги, содержащейся в насыщенном паре после ЦВД, кг/с; D₂ ^II – масса сухого насыщенного пара, содержащегося во влажном паре (D₂^ЦВД = G₂ ^I + D₂ ^II) на выходе из ЦВД, кг/с.

 

Масса отсепарированной влаги:

G_СЕП = φ ∙ G₂ ^I, кг/с. (7.14)

Масса влаги, оставшаяся в потоке пара после сепараторов (на входе в сопла первой ступени ЦНД):

G₀ ^{I ЦНД} = G₂ ^I – G_СЕП. (7.15)

Расход насыщенного пара из сепараторов в ЦНД:

D₀^ЦНД = D₂ ^II + G₀ ^{I ЦНД}. (7.16)

Степень сухости пара на входе в ЦНД:

x₀ ^ЦНД = D₂ ^II / D₀^ЦНД. (7.17)

 

ЦНД не имеет отборов пара, поэтому расход пара в конденсатор:

D_К = D₂^ЦНД = D₀^ЦНД, (7.18)

где: D₀^ЦНД – расход пара в сопла первой ступени ЦНД (‘в голову” ЦНД), кг/с; D₂^ЦНД – расход пара на выходе ЦНД, кг/с; D_К – расход пара в конденсатор, кг/с.

 

Относительный внутренний КПД проточной части ЦНД можно оценить по эмпирической зависимости [10, 11]:

h_оi ^ЦНД = 0,87∙(1+ (H₀ ^ЦНД – 400)/10⁴)∙k_вл – ∆H_ВС / H₀ ^ЦНД, (7.19)

где: H₀^ЦНД – располагаемый тепловой перепад ЦНД, кДж/кг; k_вл = 1 – 0,4∙(1 – γ_вл)∙ (y₀^ЦНД + y₂^ЦНД)∙(H_{0 ВЛ}^ЦНД / H₀ ^ЦНД) – коэффициент, учитывающий потери энергии влажного пара в ступенях ЦВД; γ_вл = 0,1 – коэффициент [22, 24]; y₂^ЦНД – степень влажности пара в действительном процессе за ЦВД; H_0ВЛ^ЦНД – часть располагаемого теплового перепада (H₀^ЦНД), находящегося в области влажного пара (то есть ниже пограничной кривой x = 1 в h,s-диаграмме).

 

Потери энергии потока пара с выходной скоростью, покидающего ЦНД можно определить по эмпирической формуле [22, 24], кДж/кг:

∆H_ВС = 0,5∙10^–3[(D_К ∙ υ_К) / Ω_Z]² ∙ [1 – (0,1/(θ_Z – 1)], (7.20)

где: D_К – расход пара в конденсатор, кг/с; υ_К – удельный объем пара на входе в конденсатор (в действительном процессе), м³/кг; Ω_Z = π ∙ d_{СР Z} ∙ ℓ_{2 Z} = 3,14∙2,48∙960,0∙10^–3 = 7,475712 м² – аксиальная площадь выхода потока пара из последней ступени К-110-6,5; θ_Z = d_{СР Z} / ℓ_{2 Z} = 2,48 / (960,0∙10^–3) = 2,583 – веерность последней ступени К-110-6,5 [ 23 ]; d_{СР Z} = 2,48 м – средний диаметр рабочих лопаток последней ступени К-110-6,5; ℓ_{2 Z} = 960 мм – длина рабочих лопаток последней ступени К-110-6,5.

8. Параметры пара в действительном процессе на выходе из последней ступени ЦНД:

∆H_ВС, h_оi ^ЦНД, H_i^ЦНД, h₂ ^ЦНД (7.21)

9. Пренебрегая аэродинамическим сопротивлением выходного патрубка ЦНД, ввиду его малости [22], считаем, что полученные значения параметров пара на выходе из ЦНД соответствуют параметрам пара на входе в конденсатор:

p_К = p₂^ЦНД; h_К = h₂ ^ЦНД; t_К = t₂ ^ЦНД; υ_К = υ₂ ^ЦНД; y_К = y₂ ^ЦНД. (7.22)