Оценка конструкций паровых турбин - Критерии качества

Качество турбины может быть определено как комплекс ее показателей, от которых в конечном счете зависит стоимость преобразования тепловой энергии пара в кинетическую энергию движения ротора. Такими показателями, характеризующими экономичность турбины, могут быть расход топлива, надежность, долговечность, стоимость, занимаемая площадь и высота здания, требуемая грузоподъемность крана, удобство обслуживания, быстрота пуска, величина потерь тепла во внешнюю среду, величина потерь пара и конденсата, длительность работы масла и многие другие.
Расходы при эксплуатации турбины слагаются из расходов на топливо, отчислений на амортизацию первоначальных затрат (на оборудование, строительство здания, монтаж, материалы); расходов на обслуживание и ремонт; убытков от простоев и аварий. На эти основные статьи расходов при эксплуатации турбины влияет ее конструкция, качество примененных материалов, качество изготовления и монтажа, технический уровень эксплуатации.
Наша задача ограничивается рассмотрением влияния конструкции турбины на показатели ее при эксплуатации.
Конструкция турбины влияет, в сущности, на все виды эксплуатационных расходов, но в наибольшей степени на расход топлива, стоимость турбины и убытки от простоев и аварий.
Убытки от перебоев в работе турбины могут быть очень велики, даже если они не сопровождаются серьезными повреждениями самой турбины. Поэтому среди показателей качества турбины на первое место может быть поставлена ее надежность при эксплуатации.
Наибольшие убытки от аварийной остановки турбины будут в том случае, если она является единственным агрегатом, обслуживающим потребителя (завод, город, корабль). В этом случае авария турбины приведет к отключению питаемых ею фабрик, заводов, водопровода, освещения и т. д. Народнохозяйственные убытки будут складываться из убытков от простоя турбины, стоимости ее ремонта и последующего пуска и главным образом из убытков, вызванных простоем потребителей. Для некоторых предприятий перебои в подаче энергии означают расстройство технологического процесса, а иногда даже опасность возникновения пожара, взрыва, порчи сырья.
Меньше убытков будет понесено, когда турбина работает в энергосистеме. Если мощность аварийно отключаемой турбины не превышает 5—8% мощности энергосистемы и если линии электропередачи в состоянии пропустить дополнительное качество электроэнергии для компенсации выработки ее вышедшей из строя турбиной, то перебоя в подаче электроэнергии потребителю на будет. Помимо потерь от простоя и затрат на ремонт, убытки в данном случае могут быть вызваны работой оставшихся турбин на 'менее выгодных режимах, увеличенными потерями в линиях электропередачи, стоимостью последующего пуска турбины.
Вынужденный простой турбины является убытком. При неработающей турбине сохраняются почти все расходы, кроме расхода топлива. Стоимость топлива для паротурбинных электростанций составляет в среднем около 70% всех расходов на выработку электроэнергии. Следовательно, при стоимости электроэнергии 1 коп/кВт-ч и мощности турбины 100 тыс. кВт, убытки на самой станции из-за недовыработки электроэнергии составят 300 руб./час.
Наряду с надежностью или непосредственно вслед за нею важнейшим показателем качества турбины является термическая экономичность ее, т. е. величина расхода топлива, как основной составляющей себестоимости продукции паротурбинной установки.
Термическая экономичность электростанции зависит прежде всего от начальных и конечных параметров пара. Однако для турбины выбор тех или иных значений этих параметров не является показателем ее качества. Техническое совершенство турбины определяется ее внутренним к. п. д., т. е. качеством конструкции и изготовления, а всей паротурбинной установки еще и правильным выбором и построением схемы регенерации.
Полученная расчетом и подтвержденная испытаниями термическая экономичность является парадной и часто существенно превосходит среднегодовую. Значение парадной, т. е. наибольшей достижимой в данной турбине термической экономичности, тем больше, чем дороже топливо и чем больше годовое число часов использования турбины, а для судовых турбин, кроме того, чем большая продолжительность плавания должна быть обеспечена.
Действительная среднегодовая термическая экономичность зависит как от объективных, так и субъективных условий эксплуатации. 

К первым относится, например, характер графика нагрузки, температура охлаждающей воды, число пусков и остановок. Ко вторым — внимание обслуживающего персонала и правильность его действий, качество ремонтов, качество пара и т. д.
Снижение действительной экономичности по сравнению с парадной вызывается эрозией и коррозией лопаточного аппарата, заносом его солями, увеличением зазоров, ухудшением воздушной плотности соединений, износом элементов 'регулирования и другими причинами. В известной мере величина этого снижения зависит от конструкции турбины.
Особенно увеличивается расход топлива сверх парадного при пусках и остановках, если они по условиям эксплуатации должны производиться часто. Этот дополнительный расход топлива в основном зависит от конструкции турбины, так как она определяет продолжительность пуска, а также от длительности работы между остановками. Размер увеличения расхода топлива по этой причине можно показать на примере.
Для турбины с расходом пара 200 m/час, конструкция которой не приспособлена к быстрому пуску, расход пара на пуск и остановку равен примерно 300 т.
Этот расход пара эквивалентен увеличению расхода топлива и в зависимости от продолжительности работы между остановками составляет:

Как видно, при частых пусках увеличение расхода топлива весьма существенно*.
У турбины, конструкция которой специально приспособлена для быстрого пуска, приведенные выше цифры могут быть в 5—6 раз меньше.
Следует заметить, что быстрый пуск важен и сам по себе для введения турбины в действие в минимальный срок. Особенно важно это в судовых турбинах. Поэтому все конструктивные мероприятия для ускорения пуска, существенно не ухудшающие других важных показателей турбины, должны рассматриваться как положительные.
* При блочной компоновке остановка и пуск турбины связаны с остановкой и пуском котла, что еще больше увеличивает расход топлива на эти цели. Так, например, затраты на каждый пуск турбины мощностью 150 мгвт (см. «Теплоэнергетика» № 2, 1958—«Блочный пуск установки мощностью 150 мгвт») составляли в среднем за несколько лет 128 т условного топлива и 40000 кВт-ч электроэнергии, что при существовавших на этой ГРЭС ценах на топливо и электроэнергию составляло в сумме около 2000 руб.

Полный пуск до номинальной нагрузки занимал 60—90 час. Остановки турбины в выходные дни на 32—40 час. оказывались меньше продолжительности пуска!
Следует также заметить, что быстрый пуск неприспособленной к этому турбины будет сопровождаться недопустимыми термическими напряжениями и большими деформациями ее деталей. Первые могут вызвать коробление цилиндра и появление в нем трещин. Влияние высоких термических напряжений сразу может быть не обнаружено и может даже сложиться ошибочное мнение о допустимости пусков с такой скоростью, пока не будут, если и обойдутся без более серьезных последствий, то во всяком случае, вызовут увеличение зазоров, с которыми турбина и будет все время работать с соответствующим снижением экономичности.
Кроме расхода топлива и убытков от простоев, есть еще другие расходы, существенно влияющие на стоимость продукции.
Затраты на сооружение машинного зала электростанции (стоимость турбины, вспомогательного оборудования и их монтажа, а также здания, фундамента, площадок обслуживания и т. д.) в значительной степени определяются конструкцией турбины. Малые габариты и вес турбины и небольшая высота здания могут намного снизить общую стоимость сооружения. Поэтому вес и габариты турбины также важны для оценки ее качества.
Следует отметить, что сравнительно малый удельный вес амортизационных отчислений и большая доля топливной составляющей в общих расходах по эксплуатации турбины приводит к тому, что при дорогом топливе даже значительное удорожание турбины для получения хотя бы небольшой, но реальной экономии пара окупается в приемлемые сроки.
Однако при очень дешевом топливе поднятие к. п. д. установки за счет ее удорожания может экономически не оправдать себя.
На стоимость обслуживания и ремонта конструкция турбины влияет в гораздо меньшей степени. Даже автоматизация и дистанционное управление турбиной, по-видимому, могут снизить затраты на обслуживание лишь незначительно. Выгода заключается здесь главным образом в улучшении качества обслуживания и повышении надежности.
Таким образом, из большого числа показателей, характеризующих в той или иной степени качество турбины, можно выделить следующие основные критерии, прямо или косвенно обусловленные ее конструкцией:

1. Связанные с надежностью и долговечностью —достаточная прочность; малый износ; сохранение формы и взаиморасположения деталей; отсутствие задеваний деталей в турбине при работе и пуске: безопасность при неуправляемых процессах и неизбежных отклонениях параметров; совершенство и достаточное количество защитных устройств; бесперебойное функционирование всех устройств и систем турбины.
2. Связанные с термической экономичностью — высокий внутренний к. п. д. и малое его снижение при эксплуатации; малые потери по паровому тракту; хорошая плотность вакуумной системы; сохранение формы и взаимного положения деталей; отсутствие вредных перетечек пара; экономичность работы в возможно более широком диапазоне нагрузок; реальная возможность выдержать при изготовлении необходимые зазоры, перекрыши, профили и т. д.
3. Связанные с эксплуатационными расходами — быстрота пуска; удобство обслуживания; малые расходы на обслуживание и ремонт; малый вес и расход металла; низкая стоимость турбины, высокая технологичность; малое занимаемое турбиной место; продолжительность  работы без ремонта и без замены масла.
4. Связанные с другими требованиями к турбине — качество регулирования; маневренность, реверсивность (главным образом судовые турбины) и др.

Наконец, важным является требование к внешнему виду турбины. Отделка ее и форма должны быть красивы; это воспитывает вкус и побуждает обслуживающий персонал к более внимательному и бережному отношению к машине.