Л.Л. Симою, Е.И. Эфрос, В.Ф. Гуторов, В.П. Лагун. Теплофикационные паровые турбины: повышение экономичности и надежности. - СПб: Энерготех, 2001. - (Серия «Проблемы энергетики», вып. 3)
Рассмотрены вопросы эффективности теплофикационных турбоустановок в режимах работы по тепловому графику, а также в условиях переменных тепловых и электрических нагрузок. На базе результатов натурных экспериментов и расчетных исследований предложены и обоснованы направления повышения их экономичности и надежности. Особое внимание уделено обеспечению допустимого теплового состояния ЧНД, снижению интенсивности эрозионных и коррозионных повреждений элементов проточной части.
Для инженерно-технических и научных работников, занимающихся эксплуатацией и проектированием паровых турбин, а также для студентов теплоэнергетических специальностей высших и средних учебных заведений.
Предисловие
В энергетической стратегии России большое внимание уделяется теплофикации, которая благодаря существенным социальным, экономическим и экологическим преимуществам стала одним из основных направлений развития энергетики нашей страны. Теплофикация является формой централизованного теплоснабжения и рациональным способом использования топливных ресурсов. Комбинированный метод производства электроэнергии и теплоты в одной энергоустановке снижает потребность в топливе примерно на 30% по сравнению с раздельным. Разработанная и одобренная научно-техническим советом РАО ЕЭС России в 1998 г. “Концепция технической и организационной политики в области теплофикации и централизованного теплоснабжения” определяет, что и в новых экономических условиях теплофикация сохраняет свою эффективность как при реконструкции, так и при строительстве новых источников энергоснабжения.
Энергоснабжение крупных городов обеспечивается мощными системами централизованного теплоснабжения, основным источником тепла которых являются теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) с теплофикационными паротурбинными установками. Установленная электрическая мощность теплофикационных турбин в энергосистемах России составляет примерно 33% от общей мощности ЕЭС. Технико-экономические показатели ТЭЦ зависят от характеристик ее основного оборудования и вида сжигаемого топлива. Важнейшее значение при этом имеет эффективность теплофикационных паротурбинных установок.
Основным направлением повышения эффективности теплофикационных турбин является снижение потерь теплоты в конденсаторах и увеличение доли электроэнергии, вырабатываемой на тепловом потреблении. Принципиально это может быть достигнуто за счет лучшего использования теплоты отработавшего пара и за счет уменьшения вентиляционного расхода пара в конденсатор, охлаждаемый циркуляционной водой. В обоих случаях в части низкого давления турбины реализуется малопаровой режим работы, при котором возникают дополнительные эксплуатационные ограничения, связанные с вибрационными напряжениями в рабочих лопатках, температурным состоянием проточной части и выходного патрубка, опасностью эрозионного повреждения входных и выходных кромок рабочих лопаток.
Снижение потерь теплоты в конденсаторах достигается также исключением или уменьшением потерь теплоты с пароводяными потоками, такими как конденсат рециркуляции, дренажи, отсос паровоздушной смеси и слив конденсата из подогревателей, отвод пара из камер концевых уплотнений и др.
Основная часть находящихся в эксплуатации на ТЭЦ России теплофикационных турбин проектировалась 20...40 лет назад. Очевидно, что техническое перевооружение и ввод новых турбин требует разработки и создания более современных теплофикационных турбоустановок с учетом результатов научно-исследовательских работ, а также накопленного опыта их эксплуатации и современного уровня развития турбостроения.
Разнообразие типов теплофикационных турбин, режимов эксплуатации и различное их сочетание обусловливают широкие возможности для оптимизации тепловых схем и режимов работы турбин и ТЭЦ в целом, совершенствования способов работы и конструкции основного и вспомогательного турбинного оборудования. В частности, оптимизация режимов работы и тепловых схем принципиально позволяет получать экономию топлива практически без дополнительных капитальных затрат.
Традиционное решение этой задачи базируется на использовании упрощенных (как правило, линеаризированных) энергетических характеристик турбины и отдельных ее отсеков. Такой подход4в большинстве случаев не дает действительного оптимального решения, т.к. реальные характеристики имеют более сложный характер. При этом экономичность теплофикационных турбин (и в первую очередь их ЧНД) зависит от большого числа факторов (расхода свежего пара, параметров пара в теплофикационных отборах, давления в конденсаторе, тепловой нагрузки, степени открытия регулирующей диафрагмы и др.) и изменяется в широких пределах при переменных режимах работы. Накопленный в результате исследований турбоустановок различного типа экспериментальный материал позволил разработать методики расчета реальных энергетических характеристик ступеней и отсеков турбин во всем возможном диапазоне режимов работы, включая вентиляционные.
На базе таких характеристик созданы математические модели, дающие возможность комплексного решения оптимизационных задач для реальных условий эксплуатации оборудования ТЭЦ.
На основе разработанных подходов проведены детальные исследования влияния основных эксплуатационных факторов на экономичность теплофикационных турбоустановок при прохождении переменной части графиков электрической и тепловой нагрузок. Показана возможность достижения значительного экономического эффекта за счет оптимизации режимов работы отдельных турбин и ТЭЦ в целом. При этом наиболее эффективным в большинстве случаев является предельно неравномерное распределение электрических и тепловых нагрузок между турбоустановками. Кроме того, разработан и обоснован новый способ работы теплофикационных турбин с раздельным управлением регулирующими диафрагмами отдельных потоков ЦНД, позволяющий получать при прочих равных условиях дополнительную электрическую мощность до 1,5...2,0% от номинальной.
Практика эксплуатации теплофикационных турбин выявила ряд проблем, таких как повышенный эрозионный износ входных кромок рабочих лопаток ступеней ЧНД и коррозионные повреждения элементов проточной части среднего давления, находящихся в зоне фазового перехода. Кардинальное решение указанных проблем связано с разработкой и реализацией мероприятий по усовершенствованию конструкции турбин. Работы в этим направлении проводятся в настоящее время заводами-изготовителями и другими организациями, однако они еще далеки от завершения. В этой связи представляет интерес выявление возможности облегчения условий эксплуатации турбин за счет режимных мероприятий. К таким мероприятиям можно отнести применение режимов работы со скользящим давлением свежего пара в периоды частичных паровых нагрузок, что дает возможность снизить параметры в точке фазового перехода и уменьшить степень влажности пара в ступенях низкого давления. Реализация режимов работы ЧНД с предельно малыми вентиляционными пропусками пара не только повышает экономичность теплофикационных турбоустановок, но и существенно снижает интенсивность эрозионных повреждений лопаточного аппарата.
В представленной книге рассмотрены указанные выше вопросы, приведены результаты исследований и предложен ряд решений, направленных на повышение экономичности и надежности теплофикационных турбоустановок.
