Термодинамические особенности работы ПТУ при скользящем давлении. Программа регулирования мощности ПТУ скользящим начальным давлением пара р0 при неизменном положении т регулирующих клапанов турбины (см. рис. 1-5,б) впервые была предложена в конце 20-х годов В. Д. Кирпичниковым для турбин с противодавлением, а несколько лет спустя — Г. Глейхманом и Г. Меланом для конденсационных турбин. Однако в то время в большой энергетике применялись низкие параметры пара, при которых этот способ не давал существенных преимуществ перед работой при постоянном давлении свежего пара. Вследствие этого работа при скользящем давлении не нашла тогда сколько-нибудь значительного применения на электростанциях, хотя и использовалась в некоторой мере для судовых ПТУ. Переход к четвертому этапу энергетики, характеризующемуся высокими, в том числе сверхкритическими, параметрами и промежуточным перегревом пара, блочной компоновкой агрегатов, а также непрерывным повышением неравномерности графиков нагрузки в энергосистемах, открыл перспективы практического использования скользящего давления на ТЭС. Длительное время внедрение скользящего давления тормозилось распространенным мнением о невозможности участия ПТУ, работающих при скользящем давлении, из-за их низкой приемистости в регулировании частоты и активной мощности в энергосистемах, а также противоречивостью данных о тепловой экономичности работы блоков при скользящем давлении, полученных различными исследователями, многие из которых проводили изыскания при неоптимальных для скользящего давления положениях регулирующих клапанов турбин, характеристиках питательных насосов и пр. Лишь в конце 60-х — начале 70-х годов исследованиями ЛПИ, ЛМЗ, Союзтехэнерго, Урал-ВТИ, МЭИ, ЦКТИ и других организаций в эти вопросы была внесена ясность. Ниже приведен термодинамический анализ работы ПТУ различного типа при скользящем давлении на основе выполненных в ЛПИ исследований. Анализ проведен для разных типов парораспределения турбин по методике, изложенной выше [см. гл. 2, соотношения (2-28)—(2-37)].
На рис. 3-7, а представлены процессы А0В0 и А'В' изоэнтропийного расширения пара в турбине, не имеющей промперегрева, при скользящем давлении для номинального (G0) и частичного (G) расходов пара. Этим расходам соответствуют давления ро и р, перед соплами первой ступени. При построении процесса А'В' принято, что для всех режимов начальная температура пара То неизменна.
Рис. 3-7. Процессы изоэнтропийного расширения в турбине при скользящем и постоянном давлении: а—без промперегрева пара; б — с промперегревом пара
Рис. 3-8. Циклы ПТУ для различных режимов при постоянном и скользящем начальном давлении пара.
Для сравнения на том же графике приведены процессы расширения АВ и А0В0 при расходе G для турбин, работающих на постоянном давлении и имеющих соответственно дроссельное и сопловое парораспределение. Во всех рассмотренных случаях предполагалось, что давление рz в конденсаторе одинаково для всех режимов.
При скользящем давлении с изменением режима меняется также цикл ПТУ (рис. 3-8). При номинальном режиме на Тs- диаграмме он изображается контуром a0b0с0d0e0, а при частичном— a0bcde. Удаление параметров цикла от оптимальных по мере снижения нагрузки определяет понижение термического к.п.д. цикла ηt при скользящем давлении (кривая 1 на рис. 3-9). Однако это понижение оказывается менее интенсивным, чем для установки с дроссельным парораспределением при постоянном давлении (кривая 2). Это объясняется тем, что процесс дросселирования пара в регулирующих клапанах турбины d0d1 (см. рис. 3-8) сопровождается понижением температуры пара перед турбиной. Поскольку с термодинамической точки зрения эффективность цикла определяется достигаемыми перед турбиной параметрами пара и не зависит от линии подвода теплоты, полученный цикл a0b0c0d0d1e1 эквивалентен циклу a0bcd1e1. Последний же практически совпадает с циклом скользящего давления по давлению перед турбиной, но отличается от него меньшей температурой. Вследствие отмеченного скользящее давление по термическому к.п.д. цикла при частичных нагрузках превосходит постоянное, сочетаемое с дроссельным парораспределением.
Заметим, что этот термодинамический выигрыш, определяемый в соответствии с формулой (2-34) параметрами пара перед турбиной и в конденсаторе, не зависит от того, каким путем достигается скользящее давление: изменением угловой скорости питательного насоса или дросселированием рабочей среды в питательных клапанах котла либо в специальных задвижках, встроенных в пароводяной тракт. Из этого следует, что термодинамический выигрыш от применения скользящего давления вместо дроссельного парораспределения при постоянном давлении обусловлен не самим по себе устранением дросселирования рабочего тела, а непостоянством удельной теплоемкости пара ср, вследствие чего при дросселировании свежего пара понижается его температура. Если бы вместо пара в установке был применен совершенный газ с неизменной теплоемкостью ср, то линии постоянной энтальпии совпали бы с изотермами и процессы d1e1 и de (см. рис. 3-8) не отличались бы друг от друга.
Рис. 3-9. Зависимость термического к.п.д. цикла ПТУ от относительного расхода пара: а — без промперегрева пара; б —с промперегревом пара
1 — скользящее давление; 2 — постоянное давление, дроссельное парораспределение; 3 — постоянное давление, идеальное сопловое парораспределение; 4 — реальное сопловое парораспределение; 5 — комбинированное регулирование
В таком случае скользящее давление не дало бы термодинамического выигрыша по сравнению с дроссельным парораспределением. При использовании водяного пара этот выигрыш тем больше, чем круче изотермы на is-диаграмме, т. е. возрастает с повышением номинального давления свежего пара.
При идеальном сопловом парораспределении (кривая 3 на рис. 3-9,а и б) термический к.п.д. цикла во всем диапазоне режимов выше, чем при скользящем давлении. Реальная же установка с сопловым парораспределением, имеющая четыре сегмента сопел регулирующей ступени, причем подвод пара к первым двум сегментам сопел изменяется одновременно, совпадает по термическому к.п.д. с предыдущей, как показано выше, только при номинальной нагрузке и режиме с полным подводом пара к этим двум группам (точки А и В на рис. 3-9). При меньших нагрузках реальное сопловое парораспределение превращается, по существу, в дроссельное. Это связано с заметным снижением термического к.п.д. цикла (кривая 4). Как следует из графика, в области низких нагрузок скользящее давление по термическому к.п.д. превосходит реальное сопловое парораспределение. Вместе с тем в определенной области высоких нагрузок выше термический к. п. д. ПТУ с реальным сопловым парораспределением. Ширина этой области тем меньше, чем выше параметры свежего пара при номинальном режиме и чем больше нагрузка, обеспечиваемая двумя группами сопел регулирующей ступени.
Рассмотрим далее влияние промперегрева пара на эффективность применения скользящего давления. ЧНД турбины с промперегревом пара можно рассматривать как конденсационную турбину, работающую при скользящем давлении р
в промежуточном перегревателе. Процессы расширения С0Д0 и CD (см. рис. 3-7,б) в этой части соответственно при номинальном и частичном расходе пара не зависят от способа регулирования ЧВД.
Количество теплоты, отводимое от пара в конденсаторе, при равных расходах пара одинаково для турбин с ЧВД, работающими при постоянном и скользящем давлении. Процессы изоэнтропийного расширения в ЧВД при частичной нагрузке изображаются соответственно линиями А0В" для соплового парораспределения, АВ — для дроссельного парораспределения при постоянном давлении и А'В' — при скользящем. Они аналогичны соответствующим процессам на рис. 3-7, а. Однако между ними есть принципиальное отличие. Для турбины без промперегрева смещение вправо процесса расширения при скользящем давлении и обусловленное им повышение энтальпии пара, покидающего турбину, увеличивает количество теплоты, отдаваемой каждым килограммом пара охлаждающей воде в конденсаторе. Для турбин же с промперегревом пара потери в холодном источнике, как было показано выше, одинаковы для всех сравниваемых вариантов. Повышение же энтальпии пара за ЧВД при скользящем давлении уменьшает то количество теплоты, которое должно быть подведено к пару в промежуточном перегревателе. Этот возврат теплоты приносит дополнительный выигрыш для турбин, работающих при скользящем давлении, по сравнению с аналогичными турбинами, имеющими при постоянном давлении дроссельное парораспределение.
С возвратом теплоты связано также сокращение зоны проигрыша по сравнению с турбинами, имеющими при постоянном давлении реальное сопловое парораспределение. Как следует из рис. 3-9, при докритическом давлении пара (12,7 МПа) кривая 4 во всем рассматриваемом диапазоне режимов проходит выше кривой 1, но при С<0,5 различие не превышает 0,25%. С переходом к сверхкритическому давлению (23,5 МПа) при нагрузках, меньших 60 % номинальной, термический к.п.д. цикла при скользящем давлении становится выше, чем при реальном сопловом парораспределении. Из формулы (2-35)
ηt=Ht/(i0—iz+ qп) = (H1t + H2t)/(H1t+iп-iz), где одна и та же величина Н1t является слагаемым и в числителе и в знаменателе правильной дроби, следует, что различие в термическом к. п. д. цикла при постоянном и скользящем давлении уменьшается по мере сокращения Н1t, т. е. повышения давления промежуточного перегрева пара.
Для турбин с двукратным промперегревом пара различие определяется только первым промперегревом. Второй перегрев не меняет сравнительной качественной картины. Вместе с тем, поскольку двукратный промперегрев уменьшает перепад энтальпии ЧВД, относительный термодинамический выигрыш от применения скользящего давления в этом случае меньше, чем при однократном промперегреве.
При скользящем давлении могут работать турбины как с дроссельным, так и с сопловым парораспределением. При номинальном режиме более высокий внутренний относительный к.п.д. ηoi имеет турбина с дроссельным парораспределением.
Поскольку давление пара перед соплами первой ступени при скользящем давлении мало отличается при равных расходах от аналогичной величины у турбины с дроссельным парораспределением при постоянном давлении, внутренний относительный к.п.д. турбины с дроссельным парораспределением при скользящем давлении практически совпадает с аналогичной величиной при постоянном давлении. Для турбины с сопловым парораспределением, работающей при скользящем давлении, характеристика ηoi(G) эквидистантна предыдущей.
У турбин с промперегревом пара процессы (CD) в ЧНД при постоянном и скользящем давлении совпадают (см. рис. 3-7,б) и на сравнительную экономичность влияет только внутренний относительный к. п. д. цилиндра высокого давления. По мере снижения нагрузки при скользящем давлении примерно пропорционально расходу пара уменьшаются давления перед турбиной и в промежуточном перегревателе, так что отношение давлений Π = рп/р1 не изменяется. Практически неизменным в широком диапазоне режимов при скользящем давлении остается и внутренний относительный к.п.д. ЦВД (рис. 3-10) как при дроссельном, так и при сопловом парораспределении. Для сравнения на том же рисунке нанесены графики внутреннего относительного к.п.д. ЦВД турбины с дроссельным и сопловым парораспределением при постоянном давлении. Первая из них почти совпадает с аналогичной характеристикой при скользящем давлении. При детальных расчетах турбин следует учитывать некоторое отличие гидравлических сопротивлений «холодной» линии промперегрева вследствие разной плотности пара за ЦВД при постоянном и скользящем давлении, а также некоторое повышение давления в регенеративных отборах и по всей проточной части турбины при скользящем давлении из-за уменьшения плотности пара. Первый из этих факторов несколько уменьшает термодинамический выигрыш от применения скользящего давления, а второй — увеличивает его.
К.п.д. цилиндра высокого давления турбины с сопловым парораспределением при постоянном давлении ввиду увеличения перепада энтальпии регулирующей ступени понижается с уменьшением расхода пара до значения его, соответствующего точке В на рис. 3-9. При меньших расходах происходит дросселирование всего потока пара, подводимого к турбине, и, как при дроссельном парораспределении, к. п. д. цилиндра остается неизменным (линия ВС на рис. 3-10).
Сравнительную оценку проведем по произведению η1η0i, которое, как следует из формулы (2-33), в наибольшей мере влияет на к.п.д. брутто установки. При этом используем результаты приведенного выше сопоставления термического к.п.д. цикла и внутреннего относительного к.п.д. турбины при постоянном и скользящем давлении.
Рис. 3-10. Зависимость внутреннего относительного к.п.д. ЦВД от расхода пара
- — скользящее давление, дроссельное парораспределение;2 — скользящее давление, сопловое парораспределение; 3 - постоянное давление, дроссельное парораспределение; 4 — постоянное давление, сопловое парораспределение
Рис. 3-11. Зависимость к.п.д. брутто ПТУ без учета регенерации от расхода пара G при разных способах регулирования мощности
- — постоянное давление, дроссельное парораспределение; 2 — постоянное давление, идеальное сопловое парораспределение; 3 — постоянное давление, реальное сопловое парораспределение, 4—6 — скользящее давление, дроссельное парораспределение (η'б отнесен к значению к.п.д. ПТУ с дроссельным парораспределением при номинальном режиме)
Анализ начнем с выбора типа парораспределения при скользящем давлении. Поскольку при этом термический к.п.д. цикла не зависит от типа парораспределения, а внутренний относительный к.п.д. турбины с сопловым парораспределением более низок, оптимальным вариантом для работы при скользящем давлении является турбина с дроссельным парораспределением. Его следует выбирать при проектировании турбин специально для скользящего давления. Именно этот вариант выбран в дальнейшем в качестве основного при сравнении постоянного и скользящего давления.
Внутренний относительный к.п.д. турбин с дроссельным парораспределением при постоянном и скользящем давлении практически одинаков при одинаковых расходах пара. Термический же к.п.д. цикла выше у установки, работающей при скользящем давлении. Следовательно, во всем диапазоне частичных нагрузок она имеет более высокий к.п.д. брутто η (рис. 3-11), причем выигрыш возрастает с ростом номинального давления свежего пара (кривые 4, 5, 6 расположены в порядке последовательного увеличения р0) и с применением промперегрева пара. Поэтому в тех случаях, когда при проектировании турбины по каким-либо причинам (например, из-за вибрационной прочности первой ступени) принято дроссельное парораспределение, следует проектировать ее и весь блок для работы при скользящем давлении.
Сравним далее работу установки при скользящем давлении и постоянном с реальным сопловым парораспределением (кривая 3). При низких начальных параметрах пара характеристика ПТУ при скользящем давлении (кривая 4) мало отличаемся от кривой 1. В этом случае при частичных нагрузках более высоким к. п. д. обладает установка с сопловым парораспределением, и проектирование турбин с дроссельным парораспределением специально для скользящего давления нерационально. При повышении номинальных параметров пара характеристика ПТУ при скользящем давлении, как следует из рис. 3-11 (кривая 5), дважды пересекает кривую 3. Следовательно, работа при скользящем давлении оказывается термодинамически эффективной в области низких нагрузок и вблизи номинального режима. Однако для таких ПТУ имеется область режимов вблизи точки В, где преимущества на стороне соплового парораспределения при постоянном давлении. Поскольку при работе в переменной части графика нагрузки определенную часть времени установка может работать в этой области режимов, целесообразность проектирования таких ПТУ на докритические параметры пара специально для работы при скользящем давлении с дроссельным парораспределением также дискуссионна, если это не вызвано иными соображениями, например стремлением повысить маневренность турбины (как это сделано для полупиковой установки К-500-130). Наконец, при переходе к сверхкритическим параметрам пара (кривая 6) во всем диапазоне режимов более экономична ПТУ с дроссельным парораспределением, работающая при скользящем давлении. В этом случае можно рекомендовать специальное проектирование блоков для работы при скользящем давлении.
С переходом к скользящему давлению повышается энтальпия пара, отбираемого для регенеративного подогрева питательной воды. Использование для подогрева более высокопотенциального пара увеличивает недовыработку мощности паром регенеративных отборов, что учитывается величиной Np в числителе формулы (3-1). Степень регенерации qp в знаменателе той же формулы при скользящем давлении всегда меньше, чем при постоянном. Это обусловлено повышением энтальпии ί0 свежего пара. Вследствие отмеченного коэффициент kp при переводе ПТУ на скользящее давление понижается (рис. 3-12). Однако, как показывают расчеты, выполненные в ЛПИ для установок различного типа, сокращение выигрыша от скользящего давления за счет регенерации не превышает 0,20—0,25 %. Это составляет небольшую часть общего термодинамического выигрыша от применения скользящего давления и не меняет вывода о большей экономичности ПТУ при скользящем давлении. Согласно исследованиям, выполненным в ЛПИ и ЛМЗ [21, 67], при скользящем давлении еще более эффективным, чем при постоянном, оказывается переключение последнего ПВД на питание паром более высокого потенциала или включение в тепловую схему дополнительного подогревателя, получающего пар из камеры отбора с более высоким давлением (см. рис. 3-3).
