Конструкции паровых турбин и условия их работы
Основными элементами паротурбинных установок являются: 1) органы впуска пара в проточную часть (стопорные, дроссельные и регулировочные клапаны, сопловые коробки); 2) цилиндры турбины высокого, среднего и низкого давления, которые состоят из роторов (диски с лопатками) и статоров (диафрагмы и обоймы); 3) подшипники скольжения, в том числе опорно-упорные и опорные; 4) конденсационные устройства (система отсоса воздуха — эжекторы из конденсатора и подача охлаждающей воды); 5) система регенерации (подогреватели высокого и низкого давления); 6) деаэроционно-питательный тракт (питательные насосы и деаэраторы); 7) система маслоснабжения (смазка и силовое масло); 8) система регулирования (регуляторы скорости, давления, золотники и сервомоторы); 9) валоповоротные устройства.
В соответствии с новыми требованиями к паровым турбинам конструкторы сосредоточили внимание на освоении новых материалов, на создании последних ступеней ЦНД с предельной для данного этапа ометаемой лопатками площадью, на конструировании новых типов высокоэкономичных цилиндров, на проектировании устойчивой системы валопровода и на решении ряда других сложных задач повышения экономичности, надежности и маневренности блоков, а также на совершенствовании их управления и автоматизации. На этой основе проектировались конденсационные и теплофикационные турбины, а также специализированные маневренные блоки.
Турбины для докритических параметров пара.
Новый этап развития турбиностроения начался с введения начальных параметров пара — 16,7 МПа и 793-808 К и промежуточного перегрева пара до 793—808 К. Для этих параметров пара промышленность стала изготовлять турбины мощностью 150 МВт, отступив от принципа удвоения мощности, что увеличило число головных турбин. Повышенные затраты оправдывались ускорением накопления опыта по освоения оборудования для высоких параметров пара.
Турбина К-150-170 ЛМЗ
Турбина К-150-170 ЛМЗ была первой из серии турбин ЛМЗ для мощных блоков. Начальные параметры пара: р0 = 16,7 МПа; t0 = 823 К. Максимальная мощность турбины- 150 МВт при 3000 об/мин и противодавлении около 3,3 МПа. Выбор мощности 150 МВт объясняется стремлением использовать уже отработанную и проверенную в эксплуатации последнюю ступень с рабочим колесом со средним диаметром 2 м и длиной лопатки 664 мм. Установив перед нею двухъярусную ступень, можно было получить суммарную ометаемую площадь полуторного выхода 6,29 м2, тогда как для последней ступени эта площадь была 4,19 м2. Такой метод перехода к следующей ступени мощности обеспечивал надежную работу наиболее напряженного узла турбины. Выбором размеров последней группы степеней с полуторным выходом и была определена мощность турбины: это была первая трехцилиндровая турбина.
Новой была двухъярусная ступень с длиной рабочей лопатки предпоследней ступени 664 мм при среднем диаметре РК 1960 мм, т. е. приблизительно таких же размеров, как и в РК последней ступени. При этом ометаемая лопатками площадь верхнего яруса составляла около 1/3 от общей ометаемой площади полуторного выхода.
Турбина К-200-130ЛМЗ.
Ее мощность — 200 МВт при 3000 об/мин, параметры свежего пара — 12,8 МВт и 838 К, противодавление — около 3,5 кПа, промежуточный перегрев пара до 838 К при давлении около 3,3 МПа и номинальной мощности.
Выбор давления 12,8 МПа на первый взгляд воспринимается как шаг назад по сравнению с ранее выпущенной турбиной мощностью 150 МВт. На самом деле это не так. Опыт эксплуатации турбин ЛМЗ при давлении 16,7 МПА вскрыл их некоторые недостатки в маневренности из-за медленного прогрева ЦВД. Кроме того, имели место трудности в изготовлении и эксплуатации парогенераторов. В связи с этим теплоэнергетика России стала развиваться в двух направлениях: мощные блоки, работавшие при давлении 12,8 МПа, выпускались до шестидесятых годов как ведущие агрегаты на электростанциях, а затем сохранялись в этом качестве для мощностей, меньших или равных 200 МВт, а также как маневренные установки мощностью до 500 МВт; для работы же на сверхкритических параметрах пара стали создаваться высокоэкономичные блоки все возрастающей мощности, предназначенные в основном для базовой нагрузки.
Турбины с регулируемым отбором пара.
Идея теплофикации городов и промышленных предприятий оказалась весьма плодотворной, и в этом направлении теплоэнергетика в условиях социалистического хозяйства достигла больших успехов. Уже к 1970 г. мощность ТЭЦ составляла 1/3 от всей мощности ТЭС, и относительный их рост продолжается. Заметим, что даже во всех мощных конденсационных турбинах предусматриваются значительные отборы пара при нерегулируемом давлении для теплофикации. Выработка электроэнергии па ТЭЦ стала основным источником снижения удельного расхода теплоты на ТЭС.
По мере роста теплофикации, а также накопления эксплуатационного и производственного опыта, конструкторских достижений и научных исследований постепенно увеличивались мощность ТЭЦ и единичная мощность агрегатов, что повышало их рентабельность и снижало эксплуатационные расходы. Все же по единичной мощности теплофикационные турбины отставали от конденсационных, что соответствовало темпам развития сложных проблем централизованного теплоснабжения и конструирования турбин с огромными объемными расходами отбираемого пара. Тем не менее, сейчас уже освоены турбины с отборами пара для теплофикации мощностью до 300 МВт для сверхкритических начальных параметров пара, а проектируются агрегаты гораздо большей мощности.
Турбины УТМЗ.
В пятидесятых годах УТМЗ разработал унифицированный ряд турбин мощностью 25 МВт: ПТ-25-90/10; Т-25-90 и ПР-25-90/10/0,9. Они имели улучшенные по сравнению с предшествующей серией турбин тепловую экономичность и автоматизацию. Главные усовершенствования — повышение t до 808 К и уменьшение нижнего предела регулируемого давления пара для теплофикации до 69 кПа. Их мощность была увеличена до 30 МВт с соответствующим повышением номинальной тепловой нагрузки.
На базе полученного опыта завод перешел к производству турбин мощностью 40—100 МВт для начальных параметров пара 12,8 МПа и 838 К, без вторичного перегрева пара. Этот унифицированный ряд состоял из следующих турбин (в числителе— номинальная мощность, в знаменателе — максимальная): Т-50/60-130 с двумя отборами пара для теплофикации (поминальная мощность турбины увеличена до 55 МВт); ПТ-50/60-130/7 с отбором пара на производство и с двумя отборами для теплофикации; Т-100/120-130 с двумя отборами пара для теплофикации; Р-40-130/31 с противодавлением ~3 МПа (схемы на рис. VI.1).
Для ТЭЦ с большой круглогодичной тепловой нагрузкой доказана целесообразность применения турбин без конденсационной части типа ТР-110-130. Такие турбины очень выгодно применять, например, в том случае, если на ТЭЦ имеются уже три-четыре агрегата типа Т-100-130 и последующие агрегаты могут нести тепловую нагрузку, работая с противодавлением. Эта вновь создаваемая двухцилиндровая турбина глубоко унифицирована с Т-100-130.
В ЦВД этой серии турбин применено сопловое регулирование. Четыре односедельных неразгруженных клапана размещены на ЦВД. Привод к ним — от кулачкового вала. Объемные расходы пара ЦВД сравнительно невелики, поэтому УТМЗ предпочел колесо Кертиса в качестве регулировочной ступени (кроме турбин типа Р), хотя этот вопрос остается дискуссионным.
Размеры РВД — небольшие. Так, для турбины ПТ-50/60-130/7 средний диаметр колеса Кертиса 950 мм, первой активной ступени давления — 832 мм и последней, восьмой, 856 мм. Это позволило выполнить проточную часть с достаточной высотой лопаток, что благоприятно сказалось на экономичности турбин этой серии.
Турбины мощностью 50 МВт — двухцилиндровые, с совмещенным цилиндром для ЧСД и ЧНД. РВД и частично РСД — цельнокованые.
В ЧСД применяются поворотные диафрагмы и одновенечные регулировочные ступени. В турбине ПТ-50-130 такая диафрагма эквивалентна трехклапанному сопловому регулированию.
В ЧНД используются поворотные диафрагмы дроссельного типа.
Конструктивные и другие особенности этой серии турбин рассмотрим на примере турбины Т-100-130.
Турбина Т-100/120-130.
В третьей модификации номинальная мощность турбины (рис. 3.1) повышена до 110 МВт. Начальные параметры пара 12,8 МПа и 828 К.
Имеется два отбора пара для теплофикации, обеспечивающие тепловую нагрузку 204 МВт (175 Гкал/ч). Максимальный расход свежего пара — 485 т/ч. Максимальный расход пара конденсатором — 232 т/ч.
В турбинах этого типа впервые [8] применен двухступенчатый подогрев сетевой воды в последовательно включенных по водяному тракту бойлерах, питаемых от двух отборов: один — за ЦСД, а другой — из ЦСД двумя ступенями ранее. Давление верхнего отбора может изменяться от 60 до 250 кПа, а нижнего — от 50 до 200 кПа. В конденсаторе имеется встроенный пучок трубок.
Расход свежего пара — номинальный 480 и максимальный 485 т/ч.
Турбина трехцилиндровая с двухпоточным ЦНД.
Турбины ЛМЗ.
ЛМЗ — пионер в строительстве мощных турбин с отборами пара. После того как производство турбин этого типа было передано на УТМЗ и БМЗ, завод ограничился выпуском лишь тех турбин, которые входят в общие унифицированные ряды с конденсационными турбинами. Поскольку завод еще продолжал выпуск турбин мощностью 50 и 100 МВт, то после реконструкции и совершенствования турбин типа ПТ-50-90 ЛМЗ у появились под его маркой турбины для давления 12,8 МПа, сначала ПТ-П0-130/13, а затем ПТ-60-130/22 и ПТ-80/100-130/13 (рис. 1).
Рис. 1. Схема турбин УТМЗ и ЛМЗ с отборами пара
Турбина ПТ-80/100-130.
Максимальная мощность турбины 100 МВт достигается за счет снижения тепловой нагрузки. Турбина рассчитана для работы при ра = 12,8 МПа и t0 = 828 К.
На производство пар отбирается после ЦВД при 1,3 ± 0,3 МПа. Отопительный отбор пара — двухступенчатый: верхний — после 25-й ступени при 50—250 кПа; нижний — после 27-й ступени при 30—100 кПа. Суммарная максимальная теплофикационная нагрузка — 116 МВт (100 Гкал/ч). Номинальный расход пара — 470 т/ч. Максимальный производственный отбор пара — 300 т/ч, и суммарный теплофикационный — 200 т/ч.
Турбина — двухцилиндровая. Отбор пара на производство — после ЦВД при давлении —1,3 МПа. Паровпускные органы обоих цилиндров — со стороны корпуса среднего подшипника, что позволило сосредоточить в одном месте высоконапорные маслопроводы. Потоки в ЦВД и ЦНД направлены в разные стороны. Как следствие такого конструктивного решения — жесткая муфта между роторами и общий упорный подшипник для всего ротора. Неподвижная точка — на раме ЦНД со стороны генератора. Положение упорного подшипника позволяет устанавливать оптимальные осевые зазоры в ступенях обоих цилиндров.
При конструировании турбины большое внимание уделено повышению ее тепловой экономичности в широком диапазоне изменения нагрузок. Парораспределение в ЦВД и за камерами с регулируемым давлением выполнено сопловым.
