Стационарные, переменные и пусковые режимы энергоблоков ТЭС - Выбор типа парораспределения турбин при работе в маневренном режиме

Одним из центральных вопросов, связанных с режимами работы энергоблоков, является рациональный выбор типа парорас пределения турбин. В отечественных турбоустановках большой мощности применяется сопловое парораспределение, так как оно в режимах сниженных нагрузок экономичнее дроссельного. При расчете экономичности учитывалась тенденция к быстрому увеличению единичных мощностей, возрастающая неравномерность суточного и недельного графиков нагрузки, растущая стоимость топлива, особенно в европейской части СССР
В то же время выбор соплового парораспределения для мощных турбин не всегда достаточно обоснован [113].  Рассмотрим преимущества и недостатки соплового и дроссельного парораспределения на примере турбины, работающей в резкопеременном графике электрических нагрузок, мощностью 500 МВт с начальными параметрами: давление свежего пара 25 МПа, температура 540° С; давление пара промежуточного перегрева 3,9 МПа, температура 540° С.
Парораспределение турбины сопловое. Мощность турбины в режиме открытия первой группы сопл (две сопловые коробки из четырех) составляет около 70% номинальной. Вторая и третья группы сопл открываются последовательно. На рис. 2.2 представлены характеристики регулирующей ступени турбины.
В последние два десятилетия в отечественной и зарубежной теплоэнергетике значительное внимание уделяется использованию скользящего давления свежего пара на крупных энергоблоках.

Рис. 2.2. Характеристики регулирующей ступени турбины мощностью 500 МВт: 1  — внутренняя мощность, 2  — использованный теплоперепад; 3 — внутренний относительный КПД, 4- давление за ступенью; 5 u/C; / полное открытие 1 группы сопл (две сопловые коробки), II- полное открытие II группы сопл (одна сопловая коробка),
3 — полное открытие III группы сопл (одна сопловая коробка)

Рис. 2.3. Сравнение удельных расходов теплоты на выработку электроэнергии энергоблоком 500 МВт:

1  — изменение удельного расхода теплоты для турбин с дроссельным парораспределением при постоянном давлении свежего пара по отношению к удельному расходу теплоты для турбин с сопловым парораспределением ; 2 то же при работе турбины на скользящих параметрах пара
Сравнение двух типов парораспределения при скользящем и номинальном давлениях свежего пара производилось без учета экономии энергии на нагрев питательной воды в насосе.
На рис. 2.3 представлены результаты расчетов экономичности соплового парораспределения при номинальном давлении и дроссельного парораспределения при номинальном и скользящем давлениях свежего пара, а на рис. 2.4 — соответствующие тепловые процессы в h — S-диаграмме.
Изменение удельного расхода теплоты q% для турбин с дроссельным парораспределением при постоянном давлении свежего пара по отношению к удельному расходу теплоты q" для турбин с сопловым парораспределением определится как:
(2.1)
Изменение удельных расходов теплоты для турбин с дроссельным парораспределением при скользящем давлении qскp — по отношению к варианту с сопловым парораспределением при постоянном давлении свежего пара q" определится аналогично уравнению (2.1)
(2.2)
Расчеты проводились по методике Д. А. Чупирева. Как видно из рис. 2.3, дроссельное парораспределение при номинальном давлении свежего пара в диапазоне относительных расходов 0,93—1 несколько экономичнее соплового. Однако при дальнейшем снижении· нагрузки дроссельное парораспределение при номинальном давлении свежего пара не может конкурировать с сопловым.
Дроссельное парораспределение при скользящем давлении незначительно уступает сопловому при относительных расходах ниже 0,8, а при более высоких нагрузках оно несколько экономичнее соплового. Полученные результаты объясняются, во-первых, тем, что при сопловом парораспределении резко снижается внутренний относительный КПД ЦВД на частичных нагрузках вследствие разной экономичности регулирующей ступени в этих режимах (с учетом дросселирования на клапанах), в то же время при дроссельном парораспределении и скользящем давлении свежего пара теплоперепад на ЦВД несколько повышается, а КПД ЦВД остается практически неизменным благодаря незначительному изменению теплового перепада по ступеням, в результате чего повышается мощность, вырабатываемая ЦВД при частичных нагрузках, во-вторых, тем, что при работе энергоблока на скользящем давлении свежего пара уменьшается расход теплоты на подогрев пара промежуточного перегрева в котле за счет повышения энтальпии на выходе из ЦВД, что в значительной мере компенсирует увеличение расхода теплоты, связанное с повышением начальной энтальпии [114]. 

Рис. 2.4. Процесс расширения пара в ЦВД турбины 500 МВт:
1, I' -режим, соответствующий поминальной мощности турбины; 2, 2’ -то же при 75% номинального значения; 3, 3 -то же при 60%, 4,4' — то же при 50%, 5, 5'-то же при 40%,         дроссельное парораспределение при скользящем давлении свежего пара:  сопловое парораспределение при номинальном давлении свежего пара

И наконец, отношение располагаемого теплоперепада в ЦВД к общему перепаду на турбину не превышает 0,25 при номинальной нагрузке и существенно увеличивается (особенно при сопловом парораспределении) по мере ее снижения.
При сопоставлении экономичности двух вариантов парораспределения необходимо учитывать возможность работы котлов на скользящем давлении во всем тракте. Однако даже без учета этого полученные результаты показывают, что дроссельное парораспределение турбин на сверхкритические параметры пара при работе энергоблока на скользящем давлении как минимум равноценно по экономичности сопловому в широком диапазоне нагрузок, при этом необходимо иметь в виду, что применение скользящего давления именно для турбин с сопловым парораспределением менее эффективно и не оправдано. К тому же турбина с дроссельным парораспределением дешевле турбины с сопловым парораспределением из-за упрощенной паровпускной части ЦВД, а также технологичнее в литье, сварке и при механической обработке корпусных деталей [113]. Паровпускные части цилиндров высокого давления турбин на закритические параметры пара выполняются, как правило, трехстенными и включают сопловые коробки, внутренний и наружный корпуса.
В наиболее неблагоприятных условиях с точки зрения термических напряжений находятся сопловые коробки, подвергающиеся резким изменениям температуры пара в переходных режимах при высоком уровне коэффициентов теплоотдачи. Естественно, что целесообразным является максимально возможное утонение стенок сопловых коробок для уменьшения возникающих термических напряжений и предотвращения малоцикловой усталости металла. При сопловом парораспределении толщина стенки сопловой коробки определяется максимальным перепадом давлений на ее стенку, возникающим в режиме полного открытия первой группы клапанов. Для рассматриваемой турбины этот перепад составляет 9 МПа, а толщина стенки сопловой коробки достигает 90 мм. Для турбин с дроссельным парораспределением максимальный перепад давлений имеет место при полной нагрузке и толщина стенки сопловой горелки не превышает 25 мм. Максимальные термические напряжения в стенке сопловой коробки возникают в режиме сброса нагрузки с переводом турбины на холостой ход.
Температура пара, омывающего сопловые коробки, при сбросе нагрузки практически мгновенно изменяется за счет дросселирования на клапанах с 540 до 430° С. На рис. 2.5 показано расчетное изменение температур и термических напряжений в стенках толщиной 90 и 25 мм. Как видно из графика, во втором случае максимальные напряжения почти в 2 раза меньше, чем в первом.
Условия работы металла паровпускных узлов ЦВД и регулирующих клапанов при использовании скользящего давления свежего пара более благоприятны, чем при номинальном давлении, включая режимы резких изменений нагрузки.
Рис. 2.5. Распределение температур и напряжений в стенке сопловой коробки толщиной 90 и 25 мм при сбросе нагрузки энергоблока:

1,  3 — соответственно температура и напряжение в стенке толщиной 90 мм, 2, 4 то же толщиной 25 мм

Применение дроссельного парораспределения существенно расширяет возможности конструирования узлов паровпуска с учетом оптимизации режимов их прогрева и остывания, повышения надежности и маневренности благодаря уменьшению толщин стенок. При дроссельном парораспределении уменьшаются усилия, действующие на рабочие лопатки первой ступени ЦВД. Вместе с тем при работе на скользящем давлении пара облегчается термонапряженное состояние трубопроводов высокого давления.
Проведенный выше анализ экономичности турбины с сопловым и дроссельным парораспределением показывает, что установка турбоагрегатов, имеющих дроссельное парораспределение, экономически эффективна как при номинальном, так и при скользящем давлении свежего пара в энергосистемах с относительно равномерным графиком потребления электроэнергии, мощными постоянными потребителями, например, для районов Урала и Сибири [113].  При работе турбоагрегатов в энергосистемах с неравномерным графиком потребления электроэнергии дроссельное парораспределение также оказывается предпочтительным при условии обеспечения скользящего давления свежего пара. В табл. 2.2 приведены полученные на основании эксплуатационной статистики данные по распределению годовой нагрузки энергоблоков 500 МВт в маневренном и базовом режимах.
Таблица 2.2 Распределение годовой нагрузки энергоблоков 500 МВт в маневренном и базовом режимах

Рис. 2.6. Внутренняя мощность турбины 500 МВт и η, ЦВД по состоянию параметров пара перед ее клапанами при дроссельном парораспределении на скользящем давлении и сопловом парораспределении на постоянном давлении:

1-η, ЦВД при дроссельном парораспределении на скользящем давлении; 2 — то же при сопловом парораспределении на постоянном давлении; 3 — изменение внутренней мощности ЦВД турбины при дроссельном и сопловом парораспределении

Для обоих вариантов определена годовая экономия условного топлива при установке турбин с дроссельным парораспределением,
работающих на скользящем давлении, по сравнению с турбинами с сопловым парораспределением при постоянном давлении свежего пара. В первом варианте эта экономия составляет 59 000 т, а во втором варианте — 80 600 т условного топлива в год на одну турбину мощностью 500 МВт.
В работе [5, 11 —13, 15, 184 и др].  показано, что в режимах неравномерности графика электрических нагрузок энергосистем часть энергоблоков необходимо останавливать. При дроссельном парораспределении, позволяющем облегчить останов и пуск энергоблоков, эффективность регулирования мощности энергосистем выше, чем при сопловом парораспределении. Таким образом, дроссельное парораспределение при скользящем давлении свежего пара не уступает, а при относительно высоких нагрузках превосходит сопловое по экономичности для энергоблоков сверхкритического давления (рис. 2.6).
Изменение внутренней мощности ЦВД турбины ЛМ при дроссельном и сопловом парораспределении определялось как
(2.3)
Здесь Nдр внутренняя мощность ЦВД турбины при дроссельном парораспределении; Nc — то же при сопловом парораспределении.
В то же время дроссельное парораспределение позволяет улучшить маневренность и надежность турбин и энергоблока в целом, а также упростить конструкцию и эксплуатацию турбин, что делает его предпочтительным для мощных турбоустановок на сверхкритические параметры пара. Полное использование преимуществ турбин с дроссельным парораспределением достигается при работе энергоблока на скользящем давлении свежего пара в широком диапазоне нагрузок, при этом при применении питательных турбонасосов или электронасосов с гидромуфтами, имеющих широкий диапазон нагрузок, существенно повышаются технико-экономические показатели энергоблока в целом.