Система парораспределения предназначена для изменения расхода пара турбиной с тем, чтобы приводить ее мощность в соответствие с непрерывно меняющимся потреблением электрической энергии. Основные типы парораспределения (рис. 2-9): дросселирование пара путем прикрытия регулирующих клапанов (дроссельное парораспределение); изменение степени впуска пара в турбину путем прикрытия отдельных групп сопел первой ступени (сопловое парораспределение); подвод свежего пара или пара, отобранного после промежуточной ступени, к точке проточной части с более низким давлением (обводное парораспределение). Обводное парораспределение применяется, как правило, в сочетании с одним из первых двух.
Тип парораспределения представляет собой одну из важнейших конструктивных характеристик турбины. Возможно также управление мощностью турбины путем изменения начальных параметров пара. Закон этого изменения определяется программой регулирования ПТУ (см. гл. 1). Различные программы регулирования могут быть применены при любом типе парораспределения. Поэтому выбор той или· иной программы следует рассматривать не как самостоятельный способ парораспределения турбины, а как эксплуатационную характеристику ПТУ в целом. В настоящей главе различные типы парораспределения рассмотрены при одной программе регулирования — постоянных начальных параметрах пара. Другие программы рассматриваются в последующих главах.
Современные мощные турбины с дроссельным парораспределением имеют несколько параллельно включенных регулирующих клапанов (рис. 2-9, а), в которых дросселируется весь поток пара, подводимого к соплам первой ступени.
Рис. 2-9. Схемы парораспределения: а — дроссельное; б — сопловое; в — с внешним обводом пара; г — с внутренним обводом
1 — главный регулирующий клапан; 2 — обводной клапан
Первая ступень выполняется, как правило, с полным подводом, а потоки
пара, прошедшие через различные клапаны, смешиваются перед нею в паровпускной части турбины. При этом потери давления во всех клапанах независимо от степени их открытия одинаковы и безразлично, параллельно или последовательно изменяется положение клапанов.
Дроссельный принцип парораспределения может быть реализован также применительно к турбинам, имеющим индивидуальные клапаны для различных групп сопел (рис. 2-9, б). Одновременное прикрытие этих клапанов изменяет состояние всего потока пара перед первой ступенью. Однако при этом возможно неодинаковое дросселирование пара в клапанах при их неодинаковом открытии либо различающихся характеристиках и обусловленное этим различие в условиях течения на разных участках проточной части первой ступени.
Показатели тепловой экономичности ПТУ.
Для детального анализа того или иного типа парораспределения необходим расчет как проточной части турбины, так и тепловой схемы всей установки при различных режимах. Использование современной вычислительной техники позволяет рассчитывать любой конкретный агрегат с необходимой точностью (см. § 2-1). Однако результаты этих расчетов, выполненных применительно к определенной установке, носят частный характер и не позволяют сделать обобщения. Поэтому наряду с детальными вариантными расчетами, проводимыми в процессе проектирования, и в современных условиях не потерял своего значения выполняемый в общем виде теоретический анализ идеализированных агрегатов, направленный на выявление принципиальных закономерностей, присущих тому или иному способу изменения мощности.
Оценивать тепловую экономичность ПТУ с парораспределением различного типа будем по к. п. д. установки без учета затрат энергии на собственные нужды (брутто), равному для ПТУ без промежуточного перегрева пара
и для ПТУ с промежуточным перегревом пара
где N' — внутренняя мощность турбины; Q — количество теплоты, подведенное за единицу времени к рабочему телу в парогенераторе и промежуточном пароперегревателе; G и Gп — количество пара, выходящего в единицу времени соответственно из парогенератора и промежуточного пароперегревателя; Н1, Н2 и Н — использованные перепады энтальпии ЧВД, ЧНД и всей турбины; i0 и iп— энтальпия пара соответственно после основного и промежуточного пароперегревателя; i1 — энтальпия пара после ЧВД турбины; in.в — энтальпия питательной воды при входе в парогенератор; Gi и Hi— расход пара и использованный перепад энтальпии отсека турбины; Gi и hi — количество пара, отбираемого в единицу времени в ί-й регенеративный подогреватель, и недоиспользованный им перепад энтальпии от точки отбора до выходного сечения турбины.
Наряду с к. п. д. установки в расчетах широко используют также обратную ему величину — удельный расход теплоты q=1/η.
Термический к. п. д. цикла.
Анализ начнем с турбин без промперегрева пара. Пусть состояние пара перед стопорными клапанами соответствует точке А0 (рис. 2-11, а) с давлением р0 и энтальпией i0. Если не учитывать при номинальном расходе пара G0 потерь давления в стопорных и регулирующих клапанах, то процесс расширения в турбине можно представить линией А0В0. Зная параметры рабочего тела, определим термический к. п. д. цикла ηt0 для номинального режима. Для упрощения будем предполагать неизменным при всех режимах давление рz за турбиной, что может быть достигнуто, например, соответствующим изменением расхода охлаждающей воды. Уменьшенному расходу пара должно соответствовать пониженное давление pz перед соплами первой ступени (рис. 2- 12), которое может быть найдено по формуле Стодолы. Процесс расширения АВ на is-диаграмме при этом смещается вправо.
Рис. 2-10. Процесс расширения пара в многоступенчатой турбине с дроссельным парораспределением на is-диаграмме
Ро и ίο —давление и энтальпия пара перед стопорными клапанами; р — давление после регулирующих клапанов; рz —давление за турбиной; АоВо и АВ — изоэнтролийные процессы; АВ1 — действительный процесс расширения
Рис. 2-11. Процессы расширения пара в идеальной турбине с дроссельным парораспределением: а — без промперегрева пара; б — с промперегревом.
Рис. 2-12. Изменение давлений за стопорными клапанами перед соплами первой ступени при дроссельное парораспределении в зависимости от расхода пара.
Изоэнтропийный перепад энтальпий уменьшается по сравнению с номинальным режимом на ∆Н (рис. 2-11, а).
К. п. д. идеальной ПТУ с дроссельным парораспределением при новом режиме
(2-38)
где ηд — коэффициент дросселирования;
(2-39)
Коэффициент дросселирования не зависит от конструкции проточной части турбины, а определяется только параметрами пара перед клапанами турбины и за ними. С уменьшением расхода пара G термический к. п. д. цикла η снижается (кривые 1—3 на рис. 2-13).
В действительности кроме дросселирования в регулирующих клапанах при частичных расходах пара имеются потери давления ∆рс в стопорных клапанах и ∆ра в регулирующих на номинальном режиме (рис. 2-12). Стопорные клапаны при нормальной работе турбины полностью открыты, и перепад давлений в них невелик, 2—2,5 % начального давления. При других режимах этот перепад меняется пропорционально квадрату расхода пара. Отмеченные потери давления следует учитывать при определении коэффициента дросселирования ηд. Для турбины с промперегревом пара термический к. п. д. цикла при частичных расходах пара также может быть определен по формуле (2-38). Коэффициент дросселирования на основе формулы (2-35) может быть получен в виде
где H0 — изоэнтропийный перепад энтальпии турбины при номинальном режиме; ΔH1 и ΔH2 — уменьшение изоэнтропийных перепадов энтальпии ЧВД и ЧНД по сравнению с номинальным режимом; qп0 и ∆qn — подвод теплоты к 1 кг пара в промежуточном пароперегревателе при номинальном режиме и его изменение под влиянием дросселирования. Как следует из полученной формулы, потери от дросселирования в рассматриваемом случае определяются не только уменьшением изоэнтропийного перепада энтальпии, но также изменением удельного подвода теплоты к пару в промежуточном перегревателе.
Рис. 2-13. Зависимость термического к. п. д. цикла ПТУ с дроссельным парораспределением от режима работы при различных начальных параметрах пара 7-8,8 МПа, 808 К; 2 —12,7 МПа. 838 К; 3 —23,5 -МПа, 833 К; 4 —12,7 МПа, 838/838 К (послекосой черты — температура промперегрева); 5 —23,5 МПа, 833/838 К; 6 —23,5 МПа, 833/838/838 К (838 К — температура первого и второго промперегрева). Противодавление 3,43 кПа
Рис. 2-14. Изоэнтропийные перепады энтальпии ЧВД (H1t), ЧНД (H2t) и удельный подвод теплоты дп к пару в промежуточном пароперегревателе при различных режимах (р0=23,5 МПа; Т0=833/838 К; р=3,9 МПа)
1 — дроссельное парораспределение; 2 — сопловое парораспределение
Рис. 2-15. К.п.д. паротурбинной установки при различных режимах
1 — дроссельное парораспределение; 2 — идеальное сопловое парораспределение; 3 — реальное сопловое парораспределение
Изоэнтропийный процесс расширения в турбине для номинального режима может быть представлен линией A0B0C0D0 (см. рис. 2-11, б), а для какого-либо частичного расхода — линией ABCD. Так как с уменьшением расхода пара примерно пропорционально ему снижается и давление p1 перед соплами первой ступени, и давление рп в промежуточном перегревателе, то изоэнтропийный перепад энтальпии ЧВД практически не меняется (рис. 2-14). Изоэнтропийный перепад энтальпии ЧНД с уменьшением расхода пара уменьшается, а удельный подвод теплоты к пару в промежуточном пароперегревателе qn несколько возрастает. Отмеченные обстоятельства определяют понижение термического к. п. д. цикла ПТУ с промперегревом пара по мере уменьшения расхода G (кривые 4—5 на рис. 2-13).
Аналогично изменяется термический к. п. д. цикла ПТУ с двукратным промперегревом пара (кривая 6).
Внутренний относительный к.п.д. турбины и к.п.д. установки.
Уменьшение общего перепада энтальпии турбины без промперегрева пара при снижении нагрузки приводит к перераспределению перепадов энтальпии по ступеням. Наиболее сильно уменьшаются перепады энтальпии последних ступеней. Если при конструировании турбины для номинального режима были приняты оптимальные значения характеристического отношения и/С0, то в результате увеличения и/С0 при уменьшении расхода пара снижается внутренний относительный к.п.д. последних ступеней и турбины в целом. Снижение к.п.д. в известной мере ослабляется вследствие уменьшения влажности пара и выходной кинетической энергии последней ступени. Иногда конструкторы для номинального режима выбирают отношение и/С0, меньшее оптимального. В таком случае при небольшом уменьшении расхода пара возможно некоторое повышение внутреннего относительного к.п.д. турбины. При больших же изменениях режима значение η0i существенно снижается.
В турбине с промперегревом пара ни перепад энтальпии ЧВД, ни отношение давлений Πп = ρп/ρI, по существу, не зависит от режима. Практически постоянным оказывается и внутренний к.п.д. части высокого давления. К.п.д. части низкого давления изменяется в зависимости от расхода пара примерно так же, как для рассмотренной выше турбины без промперегрева пара.
Определив значения ηt и η0i, по формуле (2-33) найдем для разных режимов к.п.д. брутто установки (рис. 2-15). Главное влияние оказывает термический к.п.д. цикла, поэтому по мере уменьшения расхода пара существенно снижается тепловая экономичность ПТУ с дроссельным парораспределением.
