ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ПЕРЕМЕННЫЕ РЕЖИМЫ
КОНДЕНСАЦИОННЫХ ТУРБОУСТАНОВОК ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА
1. РАБОТА СИСТЕМЫ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ПОДОГРЕВА ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ РЕЖИМАХ
Влияние режима работы системы регенерации на тепловую экономичность турбоустановки. Регенеративные подогреватели подключены к камерам нерегулируемых отборов пара из турбины, давление в которых меняется при изменении режима работы турбины. Этим фактором, а также изменением расхода проходящей через подогреватели питательной воды определяются изменения условий работы системы регенеративного подогрева питательной воды (РППВ) и ее влияние на характеристики турбоустановки в целом.
Влияние системы РППВ на тепловую экономичность турбоустановки при любом режиме, как следует из формул (2-28) и (2-37), характеризуется коэффициентом регенерации kp, значение которого определяется для турбоустановок без промперегрева пара и с ним соотношениями (2-30) и (2-32). Последние соотношения могут быть преобразованы к следующему виду:
kp = (l-Np)/(l-qp), (3-1)
где Νρ=Σβixi=Σ∆Νi/Ν*; qP=qP/qн.в; Σ∆Νi=ΣGihi — мощность, недовыработанная в турбине паром, отобранным для РППВ; Ν* — мощность, которая была бы выработана турбиной, если бы весь поступивший в нее пар прошел все ее ступени; qп.в — количество теплоты, подведенной в цикле к 1 кг рабочего тела; qр— количество теплоты, подведенной к 1 кг рабочего тела в системе РППВ, причем для ПТУ без промперегрева пара qп.в = i0—iz;
qp=iп.в—iz, а для ПТУ с промперегревом пара qп.в=i0—iz+ iп—i1, qп.в= i0—iz + (1—β)(iп—i1); остальные обозначения сохранены теми же, что в формулах (2-30) и (2-32).
Рис. 3-1. Изменение коэффициента _регенерации kp и его составляющих Np и qp в зависимости от относительной мощности ПТУ
Величина Np в формуле (3-1) представляет собой относительную мощность, недовыработанную в турбине паром, отобранным для РППВ. Величину qp в той же формуле будем называть степенью регенерации. Она показывает, какая доля общего количества теплоты, подводимой к 1 кг рабочего тела в цикле, подводится к нему в системе РППВ. С учетом этого коэффициент регенерации приобретает четкий физический смысл. Величины Np и qp всегда меньше единицы; меньшими единицами являются и числитель, и знаменатель в (3-1), но результирующий коэффициент регенерации kp всегда больше единицы.
При номинальном режиме значение kp для различных турбоустановок в зависимости от температуры подогрева питательной воды достигает 1,12—1,16, т. е. регенеративный подогрев повышает тепловую экономичность ПТУ на 12—16%. С уменьшением мощности турбины давление в камерах регенеративных отборов понижается. Соответственно этому уменьшается температура подогрева питательной воды и доля теплоты, подведенной к рабочему телу в системе РППВ qp (рис. 3-1). Одновременное уменьшение расхода питательной воды и общего подогрева ее в системе РППВ приводит к тому, что доля пара, отбираемого в регенеративные подогреватели, сокращается. В то же время в связи со снижением давления в разных точках проточной части турбины уменьшаются недоиспользованные перепады энтальпии от камер отбора до выхлопного патрубка. Совокупность отмеченных факторов приводит к тому, что при снижении нагрузки уменьшается доля мощности, недовыработанной паром регенеративных отборов, характеризуемая величиной Np в формуле (3-1). Одновременное уменьшение значений Np и qp при нелинейных взаимосвязях параметров состояния воды и водяного пара обусловливает неопределенность в направлении изменения kp. Однако, несмотря на возможность некоторого повышения kp в достаточно узких диапазонах режимов, преобладающая тенденция состоит в уменьшении коэффициента регенерации kp при снижении нагрузки (рис. 3-1), чем обусловлено общее снижение эффективности системы РППВ при разгрузке турбины.
Рис. 3-2. Схема переключения ПВД от одной камеры отбора к другой (а) и схема с дополнительным ПВД (б)
1—линия дополнительного отбора; 2 —линия первого отбора; 3 — обратные клапаны; 4 —задвижки с приводом; 5 — ПВД
Это явление, обусловленное понижением температуры подогрева питательной воды, можно смягчить, организовав на частичных нагрузках дополнительный отбор пара повышенного давления, например из камеры регулирующей ступени или пространства между наружным и внутренним цилиндрами припетлевой конструкции ЦВД [21, 67]. Возможны различные пути использования этого отбора. Простейший путь: при понижении нагрузки турбины до уровня, при котором давление в дополнительном отборе понизится до значения, какое было при номинальном режиме в камере первого по ходу пара основного отбора, переключить последний из основных ПВД на камеру дополнительного отбора (рис. 3-2,а). При таком переключении температура подогрева питательной воды, снизившаяся по сравнению с номинальной при разгрузке до режима переключения, возвращается примерно к номинальному уровню. Дальнейшая разгрузка производится с подачей пара в этот подогреватель из дополнительной камеры отбора, что обеспечивает повышение температуры подогрева питательной воды по сравнению с ее значением без подобного переключения ПВД и повышает эффективность системы РППВ. Иллюстрацией этого может служить представленное на рис. 3-3 относительное приращение коэффициента регенерации δkp, примерно равное, как следует из формулы (2-37), относительному приращению к.п.д. турбоустановки. Из приведенного графика следует, что при постоянном начальном давлении пара путем переключения ПВД удельный расход теплоты турбоустановкой в довольно широком диапазоне режимов может быть снижен более чем на 0,5 % для турбоустановки К-1200-240 и более чем на 1 % для турбоустановки К-100-90. Более сильное влияние переключения ПВД для турбоустановки К-100-90 может быть объяснено менее развитой у нее системой РППВ.
Рис. 3-3. Относительное изменение коэффициента регенерации δkρ турбоустановок К-1200-240 и К-100-90 при переключении ПВД,
последнего из основных по ходу питательной воды. (Сплошные линии — постоянное начальное давление пара, штриховые — скользящее давление).
Переключение ПВД может быть выполнено автоматически. Согласно предложению В. М. Боровкова и Я. Д. Берковича (ЛПИ) такое переключение производится при понижении давления в дополнительной камере отбора до значения его в камере основного отбора при номинальном режиме по импульсу от электро- контактного манометра ЭКМ1 (рис. 3-2,а). Этот импульс поступает на реле включения электропривода задвижек, установленных на линиях основного и дополнительного отборов. При наборе нагрузки производится обратное переключение. При реализации схем с переключением ПВД должна быть предусмотрена дополнительная защита от повышения давления в подогревателе сверх его значения при номинальном режиме, на которое рассчитан подогреватель. Причиной внезапного повышения давления в камере дополнительного отбора может быть быстрый набор мощности, например, по сигналу противоаварийной автоматики энергосистемы. В приведенном на рис. 3-2,а примере защита ПВД от повышения давления осуществляется с помощью электроконтактного манометра ЭКМ2, воздействующего на обратные клапаны регенеративных отборов или специальные отсечные клапаны.
Более полно возможности повышения тепловой экономичности ПТУ при использовании дополнительной камеры отбора могут быть реализованы в случае установки дополнительных ПВД. На рис. 3-2,б приведена схема с переключением дополнительного ПВД (предложение В. М. Боровкова и Я. Д. Берковича). При высоких нагрузках этот подогреватель работает параллельно с последним по ходу питательной воды основным ПВД, а на более низких нагрузках переключается к камере дополнительного отбора. Переключение рационально производить при давлении в камере дополнительного отбора, равном давлению в переключаемом ПВД при номинальном режиме. Варианты автоматического переключения и защиты дополнительного ПВД (рис. 3-2,б) не отличаются от рассмотренной выше схемы. Рассматриваемая схема, сохраняя те же преимущества в тепловой экономичности при низких нагрузках, что и предыдущая схема (рис. 3-2,а), вместе с тем обеспечивает некоторое повышение тепловой экономичности ПТУ при больших нагрузках, в том числе при номинальном режиме. Причина этого — увеличение поверхности теплообмена при параллельном подключении дополнительного ПВД и уменьшение вследствие этого недогрева питательной воды, а также уменьшение гидравлического сопротивления при параллельном включении подогревателей.
Другой вариант включения дополнительного ПВД предложен в работе [67]. Подогреватель постоянно подключен к линии дополнительного отбора. Подводом пара к подогревателю управляет установленный на линии отбора специальный регулирующий клапан, на который воздействует регулятор давления в подогревателе или регулятор температуры подогрева питательной воды. Регулятор настроен на поддержание давления в подогревателе или температуры питательной воды за ним на том же уровне, что при номинальном режиме. При работе турбины при номинальном режиме питательная вода проходит через дополнительный подогреватель без подогрева в нем. При частичных нагрузках регулятор, воздействуя на регулирующий клапан линии отбора, поддерживает неизменным то же давление в ПВД и соответственно ту же температуру подогрева, что были при номинальном режиме. Диапазон действия регулятора ограничен той минимальной нагрузкой, при которой давление в камере дополнительного отбора становится равным давлению в последнем основном ПВД на номинальном режиме. Для турбоустановки К-1200-240 такой режим, если дополнительный отбор производить после четвертой ступени ЦВД, соответствует нагрузке 60 % номинальной. При более низких нагрузках отбор становится нерегулируемым и процесс протекает так же, как в рассмотренных выше случаях. Данная схема несколько уступает по экономичности предыдущим при номинальном режиме из-за увеличения общего гидравлического сопротивления пароводяного тракта, вносимого дополнительным ПВД. Но это перекрывается повышением тепловой экономичности ПТУ при режимах, лишь немногим отличающихся от номинального и более низких, обусловленным неизменной температурой подогрева питательной воды. Ввод дополнительного ПВД повышает тепловую экономичность блока 1200 МВт при нагрузке 80 % номинальной примерно на 0,3 %, а при нагрузке 60% номинальной — на 0,6%. Схема с переключением подогревателей реализована ЛМЗ в турбоустановках К-1200-240 [67], а также ЛПИ при модернизации турбоустановок мощностью 50 и 100 МВт.
При проектировании ПТУ, как правило, удается добиться близкого к оптимальному распределения общего подогрева питательной воды между подогревателями при номинальном режиме. При этом подогревы оказываются распределенными более или менее равномерно [60]. При частичных нагрузках происходит перераспределение между подогревателями подвода теплоты к питательной воде. Это определяется, с одной стороны, понижением давлений пара по проточной части турбины при ее разгрузке, а с другой — особой ролью деаэратора в тепловой схеме ПТУ.
Рис. 3-4. Принципиальные схемы включения деаэраторов питательной воды в тепловую схему ПТУ; а — в качестве самостоятельной ступени РППВ; б — в качестве предвключенного подогревателя: 1 — ПВД; 2 — турбина; 3 — регулирующий клапан; 4 — конденсатор; 5 — ПНД; 6 — деаэратор; 7 — питательный насос
Применяют два способа включения деаэратора в тепловую схему ПТУ [60]. В первом случае (рис. 3-4, а) деаэратор является самостоятельной ступенью подогрева питательной воды, во втором (рис. 3-4, б) — предвключенной составной частью обобщенного подогревателя высокого давления. Для большинства находящихся в эксплуатации и проектируемых ПТУ давление в деаэраторе при всех режимах поддерживают постоянным, используя для этого установленный на линии подвода пара регулирующий клапан 3 (рис. 3-4,а и б), которым управляет регулятор давления в деаэраторе. Это предопределяет подключение деаэратора к линии отбора, давление в которой при номинальном режиме выше давления в деаэраторе, и дросселирование пара при этом режиме в частично прикрытом регулирующем клапане. Если деаэратор включен по схеме, приведенной на рис. 3-4, а, то при номинальном режиме и режимах больших нагрузок дросселирование пара в регулирующем клапане деаэратора приводит к энергетическим потерям. Включение деаэратора по схеме, приведенной на рис. 3-4,б, где деаэратор, присоединенный через дроссельный регулирующий клапан 3 к линии отбора, питающей паром следующий подогреватель, образует совместно с ним единую ступень РППВ (обобщенный подогреватель высокого давления), позволяет избежать энергетических потерь, несмотря на дросселирование пара в регулирующем клапане. При этом суммарный подогрев питательной воды в деаэраторе и последующем подогревателе выбирают таким же, каким по экономическим соображениям он был бы выбран, если бы вместо них был применен только один подогреватель. В связи с этим применение такой схемы (рис. 3-4,б) требует дополнительного (по сравнению со схемой на рис. 3-4, а) теплообменного аппарата, работающего при высоком давлении питательной воды, что существенно усложняет тепловую схему ПТУ и увеличивает капитальные затраты.
При разгрузке турбины снижается давление в линии отбора, к которой присоединен деаэратор. При этом регулятор, поддерживающий давление в деаэраторе, открывает регулирующий клапан, уменьшая дросселирование в нем. Для схемы, приведенной на рис. 3-4,а, это сопровождается уменьшением потерь энергии, а для схемы на рис. 3-4,б приводит к перераспределению подогрева воды в рамках обобщенного подогревателя, увеличивая долю деаэратора и соответственно сокращая долю последующего подогревателя. При снижении мощности турбины до определенного уровня давление в линии отбора пара к деаэратору окажется равным тому значению, которое поддерживает регулятор давления в деаэраторе. Регулирующий клапан 3 (рис. 3-4,а и б) при этом полностью открыт. В схеме на рис. 3-4,6 весь подогрев питательной воды в обобщенной ступени РППВ при этом режиме происходит в деаэраторе; следующий подогреватель питательная вода проходит без подогрева в нем, и начиная от этого режима обе схемы становятся практически равноценными.
Для поддержания заданного давления в деаэраторе при дальнейшей разгрузке турбины необходимо переключение его на линию с более высоким давлением. Дросселирование пара в регулирующем клапане до давления в деаэраторе при таких режимах сопровождается значительными потерями энергии. Для того чтобы обеспечить работу деаэратора до его переключения на питание высокопотенциальным паром в достаточно широком диапазоне режимов, приходится выбирать давление в линии отбора к деаэратору при номинальном режиме значительно выше давления в самом деаэраторе. Так, согласно данным работы [67], питание деаэратора турбоустановки К-1200-240. работающего при постоянном давлении 0,7 МПа, приходится в номинальном режиме производить паром из камеры отбора с давлением 1,8 МПа. Потери энергии от дросселирования пара в регулирующем клапане деаэратора при его включении по схеме 3-4, а снижают тепловую экономичность блока в целом при номинальном режиме на 0,23 %. Эти потери могут быть сокращены двухступенчатым переключением: сначала на питание деаэратора паром регенеративного отбора с более высоким давлением, а при более низких нагрузках — на питание высокопотенциальным паром постороннего источника или свежим паром. Однако это мероприятие, связанное с существенным усложнением тепловой схемы ПТУ и условий ее эксплуатации, все же не устраняет значительных потерь энергии. Так, если производить двукратное переключение деаэратора турбоустановки К-1200-240 при нагрузках соответственно 0,73 Whom и 0,46 Af„ом, то при номинальном режиме снижение экономичности блока составит 0,11 %.
Вследствие снижения давлений в линиях отборов пара при разгрузке турбины уменьшается подогрев конденсата в подогревателях низкого давления, и конденсат при входе в деаэратор имеет более низкую температуру, чем при номинальном режиме.
Если давление и температура насыщенной воды в деаэраторе поддерживаются неизменными, подогрев в деаэраторе возрастает по мере снижения мощности турбины. Подогревы же питательной воды в подогревателях высокого давления при этом уменьшаются из-за понижения давлений пара в камерах отборов к ним. В режиме, при котором давление в деаэраторе окажется равным давлению в первом по ходу питательной воды ПВД, прекратится подогрев воды в этом подогревателе. При дальнейшем снижении мощности последовательно будет прекращаться подогрев воды в остальных ПВД.
Таким образом, при включении деаэратора по схеме, соответствующей рис. 3-4, а, с уменьшением мощности турбины сокращается подвод теплоты к питательной воде в подогревателях высокого и низкого давления и увеличивается подогрев питательной воды в деаэраторе. Распределение подогревов воды между подогревателями по мере разгрузки турбины все более отличается от исходного оптимального. Многоступенчатый подогрев питательной воды при этом, по существу, приближается к одноступенчатому, что заметно снижает эффективность регенерации. Отмеченное относится и к схеме включения деаэратора согласно рис. 3-4,б при режимах после переключения деаэратора на питание паром более высокого потенциала.
На основании изложенного можно сделать вывод, что общее уменьшение эффективности регенерации при снижении нагрузки ПТУ (см. рис. 3-1) определяется двумя факторами: уменьшением степени регенерации qp, связанным со снижением температуры подогрева питательной воды, и отклонением от оптимального распределения подогревов питательной воды между отдельными подогревателями, усиливающимся вследствие поддержания постоянного давления в деаэраторе. Влияние первого из этих факторов может быть ослаблено переключением последнего из основных ПВД.
Скользящее давление в деаэраторе. Эффективный путь устранения отмеченных выше недостатков—отказ от постоянного давления в деаэраторе и перевод его на работу с переменным (скользящим) давлением [45, 64, 67]. При этом могут быть устранены дросселирование пара в регулирующем клапане деаэратора и связанные с ним потери энергии. Как показано в работе [67], достигаемое при этом в номинальном режиме повышение тепловой экономичности турбоустановки К-1200-240 в схемах с одноступенчатым и двухступенчатым переключением деаэратора составляет соответственно 0,23 и 0,11 %. Такой же эффект был бы получен при введении в тепловую схему ПТУ соответственно двух и одной дополнительных ступеней регенеративного подогрева. Распределение подогревов между отдельными подогревателями на частичных нагрузках блока при скользящем давлении в деаэраторе отличается от принятого на номинальном режиме в значительно меньшей мере, чем при постоянном давлении. Вследствие приближения к оптимальному распределению подогревов на частичных нагрузках возрастает коэффициент регенерации kp и соответственно тепловая экономичность блока. В приведенном на рис. 3-5 примере [45] скользящее давление в деаэраторе позволяет повысить тепловую экономичность турбоустановки К-300-240 ХТЗ в широком диапазоне режимов более чем на 1 %.
Исследованиями, выполненными различными организациями, установлено, что в широком диапазоне давлений и гидравлических нагрузок при достаточном выпаре деаэрирующая способность применяемых конструкций деаэраторов стабильна и не вызывает опасений. Надлежащим выбором разности высот установки деаэратора и группы питательных и бустерных насосов, а также сопротивлений соединяющих их трубопроводов может быть предотвращено вскипание питательной воды во всасывающих патрубках насосов и обусловленный этим срыв их работы [45, 64]. При наиболее глубоких сбросах нагрузки, когда происходит переключение деаэратора на питание паром от высокопотенциального источника, на время переключения прерывается подача пара в деаэратор, но и в этих режимах не наблюдается срыва насосов.
Высокая экономичность и надежность работы турбоустановок как при стационарных, так и при переходных режимах подтверждены опытом эксплуатации ряда энергоблоков 300 МВт с турбинами ЛМЗ при скользящем давлении в деаэраторе [64].
Рис. 3-6. Обобщенные характеристики конденсационных ПТУ: а —
с промперегревом пара (сплошные линии — 23,5 МПа, 813/813 К; штриховые—12,7 МПа, 838/838 К); б — без промперегрева пара (8,8 МПа, 808 К)
Рис. 3-5. Относительное изменение коэффициента регенерации δkp при работе со скользящим давлением в деаэраторе
