Регулирующие ступени реальных турбин с сопловым парораспределением имеют несколько изолированных групп сопел, подводом пара к каждой из которых управляют один или два параллельно включенных регулирующих клапана. Число этих групп выбирается, как правило, от четырех до шести. Регулирующие клапаны разных групп сопел для мощных турбин открываются последовательно (штриховые линии на рис. 2-18) за исключением первых двух, открывающихся одновременно. В таких условиях ПТУ с реальным и идеальным парораспределением совпадают по термическому к. п. д. цикла η и к. п. д. установки только в режимах, где клапаны, управляющие подводом пара к части групп сопел, открыты полностью, а остальные закрыты и, следовательно, отсутствует дросселирование в клапанах (точки А и В на рис. 2-15, 2-17 и 2-18).
Промежуточные режимы достигаются частичным прикрытием одного клапана. При этом неодинаковы условия истечения пара на разных участках проточной части регулирующей ступени.
Рис. 2-19. Процесс на is-диаграмме при частично открытом регулирующем клапане
Рис. 2-20. Изоэнтропийные перепады энтальпии при сопловом парораспределении
Состояние пара перед соплами, расположенными за полностью открытыми клапанами, определяется точкой А0 (рис. 2-19). Линия А0В0 характеризует изоэнтропийный процесс расширения до давления рр за регулирующей ступенью того потока пара, который прошел полностью открытые клапаны. Изменение изоэнтропийного перепада энтальпии h0 этой части потока при различных режимах характеризуется линией CD на рис. 2-20. Отсчет перепада производится вниз от кривой АВ, с помощью которой учитываются потери Δhc вследствие дросселирования в стопорных клапанах. Произвольному расходу пара G' соответствует изоэнтропийный перепад h0, изображаемый отрезком EF. В частично открытом клапане происходит дросселирование пара до давления р1. Состояние пара за ним определяется точкой А1 (рис. 2-19). Изоэнтропийный процесс расширения той части потока, которая проходит через этот клапан, представлен линией А1В1. Потери перепада энтальпии Δh0, связанные с дросселированием в частично открытом клапане, изображены отрезком ЕК на рис. 2-20, а располагаемый перепад энтальпии h0' этой части потока — отрезком KF. Дросселирование в частично открытом клапане приводит к снижению термического к.п.д. цикла ПТУ с реальным сопловым парораспределением по сравнению с идеальным (кривые 2 и 2' на рис. 2-17). Значение ηt с учетом потерь от дросселирования части потока так же, как при дроссельном парораспределении, может быть определено из уравнения (2-38), причем коэффициент дросселирования ηд' при сопловом парораспределении связан с аналогичным коэффициентом ηд, определяемым формулой (2-39), по перепаду энтальпии соотношением G1 (1 —ηд) = G (1 — ηд), учитывающим, что дросселируется не весь поток пара G, а лишь часть его G1, прошедшая через частично открытый клапан.
Различие процессов расширения и соответственно условий течения рассмотренных выше двух потоков пара определяет разницу в к.п.д. участков регулирующей ступени, расположенных за полностью и частично открытыми клапанами. С учетом этого действительные процессы расширения потоков пара, идущих через разные группы сопел, соответствуют линиям А0В и А1В' (рис. 2-19), энтальпии в конце которых (точки В и В') равны iB и iB'. В результате смешения этих потоков в камере за регулирующей ступенью устанавливается энтальпия ic, определяемая соотношением Gic = (G—G1)iB+G1iB'.
Найденная энтальпия определяет на изобаре рр точку С, от которой начинается процесс CD расширения пара в последующих ступенях турбины. По энтальпии ic может быть найден обобщенный к.п.д. регулирующей ступени, который широко используется в практике расчетов турбин при переменных режимах. Определив с учетом процессов в регулирующей ступени внутренний относительный к.п.д. турбины ηoi, найдем к.п.д. брутто ПТУ с реальным сопловым парораспределением, который для рассматриваемых режимов с дросселированием в клапанах части потока оказывается ниже, чем при идеальном сопловом парораспределении (см. рис. 2-15).
Как уже отмечалось, при малых расходах пара, начиная от режима, соответствующего точке А (рис. 2-18), параллельно прикрываются клапаны, через которые пар подводится ко всем оставшимся в работе группам сопел. При этом реальное сопловое парораспределение превращается, по существу, в дроссельное, т. е. реальное сопловое парораспределение фактически является дроссельно-сопловым. Степень дроссельности такого парораспределения можно определить отношением мощности, соответствующей точке А, начиная от которой дросселируется весь подводимый к турбине поток пара, к номинальной мощности турбины. Степень дроссельности характеризует ту часть общего диапазона мощности, в пределах которой дросселируется весь поток пара. У современных мощных паровых турбин точке А соответствует значительная мощность: для турбин К-200-130— 76% номинальной, К-300-240 ЛМЗ — 77%, К-800-240-2—89 %. Таким образом, парораспределение современных мощных паровых турбин остается сопловым лишь в узкой области режимов; большая часть рабочих режимов соответствует дроссельному парораспределению. Это связано с заметным снижением термического к.п.д. цикла (см. рис. 2-17) и общего к.п.д. установки η'6 (см. рис. 2-15). Ввиду этого реальное сопловое парораспределение имеет перед дроссельным значительно меньшие, чем идеальное, преимущества в тепловой экономичности режимов частичных нагрузок. Эти преимущества тем меньше, чем выше степень дроссельности реального соплового парораспределения.
На практике каждый следующий регулирующий клапан начинает открываться не в тот момент, когда полностью открыт предыдущий, а несколько раньше (см. сплошные линии на рис. 2-18). Это необходимо главным образом для обеспечения устойчивости регулирования. Вследствие этого турбина не имеет режимов, при которых нет частично открытых клапанов, и к.п.д. установки при расходах пара, соответствующих точкам А и В (см. рис. 2-15), оказывается ниже, чем представлено на этом графике, построенном без учета перекрытия клапанов. Потери от дросселирования тем значительнее, чем больше перекрытие клапанов. Поэтому его следует выбирать при проектировании турбины и настройке регулирования минимальным допустимым.
Область применения двухвенечных регулирующих ступеней ограничивается в современном паротурбостроении преимущественно турбинами малой и средней мощности [75]. Более низкое давление за соплами ступени скорости позволяет уменьшить утечку пара через передние уплотнения, играющие для турбин с малыми объемными расходами пара существенную роль, а также облегчает достижение полного подвода к последующим ступеням при достаточной высоте сопловых и рабочих лопаток. Немаловажную роль играет также возможность существенно упростить конструкцию турбины. В турбинах большой мощности двухвенечные регулирующие ступени применяются редко. В качестве примеров использования таких ступеней можно отметить турбину мощностью 540 МВт американской фирмы «Вестнигауз» для параметров пара 17,4 МПа, 811/811 К, а также серию теплофикационных турбин УТМЗ мощностью 50 и 100 МВт для параметров 12,7 МПа, 838 К. В некоторых случаях ступени скорости применялись в турбинах, предназначенных, для использования пара высоких температур. Это позволяло за счет большого перепада энтальпии существенно снизить температуру пара за соплами первой ступени и исключить или ограничить применение дорогостоящих жаропрочных сталей, к тому же обладающих большим коэффициентом линейного расширения, чем стали перлитного класса.
Прогресс, достигнутый в металлургии и металловедении, а также в конструировании турбин, позволил успешно преодолеть трудности, обусловленные малыми перепадами энтальпии в регулирующих ступенях, и в настоящее время мощные турбины с сопловым парораспределением, как правило, выполняются с одновенечными регулирующими ступенями.
Рис. 2-21 характеризует влияние числа z независимых сопловых групп регулирующей ступени, подвод пара к которым регулируется последовательно открываемыми клапанами, на тепловую экономичность ПТУ. При построении графика принято, что при расчетном расходе пара сравниваемые установки имеют одинаковую степень парциальности регулирующей ступени. Это дает основания с достаточной точностью считать их к.п.д. одинаковыми в точке А, соответствующей расчетному режиму. Линии АВ1 и АВ2 соответствуют дроссельному (z=1) и идеальному сопловому (z→∞) парораспределению. Для установки, имеющей в рабочем диапазоне изменения режимов (без учета перегрузочных) две группы клапанов, зависимость к.п.д. установки от режима изображена линией АНВС. Выигрыш от соплового парораспределения с 2=2 по сравнению с дроссельным парораспределением определяется при равных расходах пара разностью ординат точек кривых АНВС и АВ1 (площадь, заштрихованная горизонтально). Из этого следует, что переход к двум сопловым группам обеспечивает существенное повышение экономичности. Увеличение числа сопловых групп до четырех (линия ADBEF) дает значительно меньший, хотя и ощутимый еще, выигрыш в экономичности (площадь, заштрихованная вертикально).
Рис. 2-21. Сравнение к. п. д. брутто ПТУ с различным числом z сопловых групп регулирующей ступени
Рис. 2-22. Зависимость коэффициента κ,
различных расчетных для регулирующей ступени от расхода пара при изоэнтропийных перепадах энтальпии
Дальнейшее увеличение z позволяет получить незначительный прирост к.п.д. Поэтому нет оснований выбирать при сопловом парораспределении чрезмерно большое число групп сопел.
Разделение общего проходного сечения между отдельными группами сопел может производиться различными способами. Имеются предложения выбирать уменьшенное проходное сечение сегмента сопел, используемого при перегрузочных режимах, с тем, чтобы включать его в работу вместо основного сегмента при режимах, где должны быть частично открытые клапаны. Для этого рекомендуется при режиме, соответствующем при z= 2 точке В (рис. 2-21), открывать не очередной основной клапан, а перегрузочный, рассчитанный на уменьшенный пропуск пара. Полному открытию последнего соответствует определяемый точкой D режим с более высоким к.п.д., чем при открытии основного клапана. При дальнейшем повышении нагрузки производится переключение с перегрузочного сегмента сопел на основной. Такой способ, названный раздельным сопловым парораспределением, эквивалентен увеличению числа групп сопел регулирующей ступени и может обеспечить некоторое повышение экономичности турбоустановки при частичных нагрузках. Однако его применение усложняет эксплуатацию турбины.
Некоторыми зарубежными фирмами выбираются меньшие проходные сечения первых двух сегментов сопел, открываемых одновременно. Это позволяет сместить в область меньших расходов пара точку В (рис. 2-21) и сократить тем самым степень дроссельности реального соплового парораспределения. В результате при низких нагрузках увеличивается выигрыш от соплового парораспределения.
Если, однако, при этом пар в номинальном режиме подводится к трем группам сопел, то отмеченное смещение точки В увеличивает потери от дросселирования при больших нагрузках. Чтобы избежать этого, в таких турбинах применяют большое число сопловых групп (до шести). Естественно, это связано с усложнением конструкции турбины.
Центральный вопрос при выборе расчетного режима регулирующей ступени состоит в обосновании изоэнтропийного перепада энтальпии ступени h0 для расчетного режима. Поскольку к.п.д. регулирующей ступени ниже, чем у ступеней давления, выбор чрезмерно большого перепада снижает экономичность установки при полной нагрузке. Выбор же малого перепада может существенно ухудшить экономические показатели частичных режимов. Причина отмеченного заключается в том, что при малых расчетных значениях ho по мере снижения нагрузки в большей мере возрастает располагаемый перепад энтальпии регулирующей ступени и уменьшаются ее характеристическое отношение и/С0 и отношение давлений П. Это иллюстрируется графиком на рис. 2-22, где по оси ординат отложена величина и/С0, отнесенная к его значению (u/С0)ном при номинальном режиме. Как следует из графика, при малых расходах пара регулирующая ступень, для которой выбрано h0=40 кДж/кг, имеет почти в два раза меньшие значения u/С0, чем ступень с h0=160 кДж/кг. Такова же тенденция изменения отношения давлений П для регулирующей ступени. Соответственно этому к.п.д. регулирующей ступени снижается с уменьшением расхода тем сильнее, чем меньшим выбран перепад энтальпии для расчетного режима. Регулирующая ступень, для которой принят очень малый расчетный перепад энтальпии, может иметь в области низких нагрузок столь малый к.п.д., что процесс на is-диаграмме окажется близким к изоэнтальпийному. При этом сопловое парораспределение почти не отличается от дроссельного. Вследствие изложенного для использования преимуществ соплового парораспределения необходимо выбирать достаточно большой изо- энтропийный перепад энтальпии регулирующей ступени на расчетном режиме. Оптимальное значение h0 устанавливается вариантными расчетами. Отечественные заводы обычно принимают для одновенечных регулирующих ступеней мощных паровых турбин h0=80:120 кДж/кг. УТМЗ счел возможным выбрать для турбины Т-250-240 h0=46 кДж/кг. Это значение h0 выбрано для режимов с максимальным расходом пара, которые соответствуют максимальным тепловым нагрузкам или мощности 300 МВт при конденсационном режиме. Выбор сталь малого перепада энтальпии обусловлен в этом случае стремлением иметь возможно большую экономичность турбины при конденсационном режиме с тем, чтобы это в какой-то мере компенсировало более низкую экономичность ЦНД [6].
Нередко конструкторы увеличивают перепад энтальпии регулирующей ступени путем выбора для расчетного режима значения u/Со, меньшего оптимального. Это сопровождается некоторым снижением к.п.д. при номинальном режиме. Однако такое снижение расчетного значения и/Со ни при одном из режимов не дает повышения экономичности.
Расчетную степень реактивности парциальных регулирующих ступеней выбирают обычно в пределах 0,03—0,08. Выбор большей степени реактивности заметно увеличивает утечку через зазоры и межлопаточные каналы неактивной дуги рабочего колеса, понижая к.п.д. ступени. Меньшие же значения могут привести к подсосу пара в зазор между сопловыми и рабочими лопатками, что связано с еще большим снижением экономичности [34].
