Work of steam-turbine units on the variable modes
УДК 621.165
17.01.2018
475
Выходные сведения:
Ильичев В.Ю., Хахалев И.С. Работа паротурбинных установок на переменных режимах // СтройМного, 2018. №1 (10). URL: http://stroymnogo.com/science/tech/rabota-paroturbinnykh-ustanovok-na-/
Авторы:
Ильичев В.Ю.1, Хахалев И.С.2
1 к.т.н., доцент кафедры «Тепловые двигатели и теплофизика», Калужский филиал ВГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (национальный исследовательский университет)», Калуга, Российская Федерация (248000, Россия, г. Калуга, ул. Баженова, д. 2), e-mail: patrol8@yandex.ru
2 магистрант кафедры «Тепловые двигатели и теплофизика», Калужский филиал ВГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (национальный исследовательский университет)», Калуга, Российская Федерация (248000, Россия, г. Калуга, ул. Баженова, д. 2), e-mail: patrol8@yandex.ru
Authors:
Ilichev V.Y.1, Hahalev I.S.2
1 Ph.D., assistant professor of dept. «Heat engines and thermophysics», Kaluga branch of Bauman Moscow State Technical University (national research university), Kaluga, Russian Federation (248000, Russia, Kaluga, Bazhenov St., 2), e-mail: patrol8@yandex.ru
2 magistrant of dept. «Heat engines and thermophysics», Kaluga branch of Bauman Moscow State Technical University (national research university), Kaluga, Russian Federation (248000, Russia, Kaluga, Bazhenov St., 2), e-mail: patrol8@yandex.ru
Ключевые слова:
паровая турбина, переменный режим, регулирующие устройства паровых турбин, переменные силы, параметры работы турбин
Keyword:
steam turbine, variable mode, control devices of steam turbines, variable forces, parameters of operation of turbines
Аннотация:
Данная статья посвящена рассмотрению вопросов влияния конструктивных и режимных особенностей паротурбинных установок на их работу на нерасчётных (переменных) режимах. Данная проблема является важной и актуальной, так как большую часть времени огромное количество современных энергетических, транспортных и приводных турбин работает с параметрами пара, сильно изменяющимися с течением времени. Работа на таких режимах может являться причиной возникновения повышенных переменных нагрузок, действующих на детали паровых турбин, особенно на элементы регулирующих устройств, что может являться причиной снижения надёжности их работы и даже может привести к авариям. Наряду с этим на нерасчётных режимах коэффициент полезного действия турбоустановки, как правило, значительно снижается.
Приведён обзор факторов, влияющих на работу паровых турбин на переменных режимах, а именно рассмотрено влияние изменения расхода пара и его начальных параметров и особенностей конструкции устройств, регулирующих подвод пара в отсеки турбины. На основе исследований, проведённых авторами работы. а также на основе данных, приведённых в современных литературных источниках, даны рекомендации по выбору способа и метода регулирования расхода пара. В конце статьи делаются выводы и даются рекомендации по использованию проанализированных данных при проектировании вновь создаваемых и совершенствовании существующих паротурбинных установок, а также формулируются направления исследований, которые необходимо осуществить на следующем этапе работы над рассматриваемой проблемой.
Annotation:
This article is devoted to consideration of questions of influence of design and regime features of steam-turbine units for their work on the off-design (variable) modes. This problem is important and relevant as the most part of time a huge number of modern power, transport and driving turbines works with steam parameters which are strongly changing eventually. Work on such modes can be the cause of the raised variable loadings operating on a patrs of steam turbines, especially on elements of control devices that can be the reason of decrease in reliability of their work and can even lead to accidents. Along with it turbine plant efficiency, as a rule, considerably decreases on the off-design modes.
The review of the factors, influencing operation of steam turbines on the variable modes is provided, namely influence of change of a consumption of steam and it’s initial parameters and features of a design of the devices regulating steam supply in turbine compartments is considered. On the basis of the researches conducted by authors of the work, and also on the basis of the data provided in modern references recommendations about the choice of a way and a method of regulation of a consumption of steam are made. At the end of the article conclusions are drawn and recommendations about use of the analysed data at design are made newly created and improvement of the existing steam-turbine units and also the directions of researches which it is necessary to carry out works on the considered problem at the following stage are formulated.
Введение
Паротурбинные установки широко используются на тепловых электростанциях для выработки электрической и тепловой энергии для нужд производства, транспорта, бытовых потребителей и т.п. Наряду с этим паротурбинные установки нашли также применение в качестве транспортных двигателей, например для привода гребного винта на кораблях, а также как привод насосов, компрессоров и других мощных агрегатов. При эксплуатации паровые турбины часто работают на режимах, отличающихся от расчётного, называемых переменными режимами. Это обусловлено постоянно изменяющейся электрической нагрузкой энергоблоков и расходов в отборах пара потребителям, изменением начальных параметров и параметров промежуточного перегрева, износом и поломками элементов проточной части. Также нерасчётные режимы работы турбин наблюдаются при частичном отключении, монтаже или замене элементов тепловой схемы. Все эти факторы влияют на расход рабочего тела, на мощность и эффективность турбоустановки [1].
Постановка задачи
Целью данной работы является рассмотрение влияния различных конструктивных и режимных особенностей паротурбинных установок на их работу на нерасчётных (переменных) режимах.
Материалы и методы
При изменении расхода пара и отклонении термодинамических параметров от номинальных значений, теплоперепады ступеней проточной части паровой турбины также изменяются, что отрицательно влияет на её экономичность [2, 3, 4]. Наиболее существенное изменение теплоперепада наблюдается в ступенях, где срабатывается большая часть теплоперепада всей турбины. Как правило, это регулирующие и последние ступени [5, 6, 7].
На многих тепловых станциях эксплуатируются паровые турбины с отборами пара. Такие турбины имеют поворотные диафрагмы для регулировки отбора пара, подаваемого на промышленные нужды или на нужды теплового бытового потребителя. В таком случае турбина значительную часть времени работает на нерасчетных режимах с соответствующим снижением экономичности.
Наличие регулирующих устройств вызывает дополнительные потери давления при нерасчётных режимах работы турбины.
Регулирование подвода пара через клапаны и поворотные диафрагмы может осуществляться двумя способами: дроссельным и сопловым. При сопловом подводе рабочего тела через поворотную регулирующую диафрагму осуществляется последовательное открытие окон перед сегментами сопел [8, 9]. При этом наблюдается сильная неравномерность параметров пара в окружном направлении в пределах каждого сегмента, а также при переходе от одного сегмента к другому. Лопаточный аппарат ступени при этом работает в неблагоприятных условиях, т.к. по окружности периодически изменяются поля скоростей и давлений. Эти возмущения являются причиной переменных нагрузок, действующих на рабочие лопатки регулирующей ступени. Данные выводы были подтверждены численными экспериментами, проведёнными на кафедре «Тепловые двигатели и теплофизика» КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана.
При дроссельном парораспределении подвод рабочего тела осуществляется одновременно через все сопловые сегменты поворотной диафрагмы или через все регулирующие клапаны [10, 11, 12]. Таким образом, поля скоростей и давлений по окружности изменяются значительно меньше, что приводит к снижению амплитуды переменных усилий, действующих на рабочие лопатки регулирующей ступени при работе турбины на переменном режиме. С другой стороны, при дроссельном регулировании больше потери давления при частично закрытых регулирующих клапанах или поворотных диафрагмах. Поэтому, вопрос выбора типа регулирующих устройств необходимо решать индивидуально путём расчёта работы турбины на режимах, наиболее вероятных при эксплуатации. Такое исследование было проведено, например, в работе [13]. Для упрощения эксперимента в данной работе в качестве рабочего тела вместо пара использовался воздух.
Рис. 1. Зависимости давления в сопловых камерах клапанов и КПД регулирующей ступени от расхода воздуха.
Для определения потерь энергии в окнах поворотной диафрагмы при изменении количества протекающего через них воздуха в [13] получены опытные зависимости p*= f(G) (рис. 1), где p* — это отношение полного давления в камерах клапанов к полному давлению перед ступенью, а G – отношение расхода воздуха при частично открытых окнах диафрагмы к максимально возможному расходу.
Как видно из рис. 1, в диапазоне относительных расходов G = 0,45…0,7 дросселирование воздуха происходит только в первом и втором клапанах, открывающихся в первую очередь, а начиная с G = 0,75 дросселирование возникает в третьем и четвёртом клапанах. При этом потери энергии в окнах достигают значительных величин; даже при полностью открытых окнах теряется 10 % и более энергии рабочего тела. Из-за этого эффективность работы регулирующей ступени также значительно снижается. Представленная на рис. 1 зависимость КПД ступени от относительного расхода рабочего тела имеет участки резкого изменения в начале открытия каждого клапана.
С целью уменьшения зон отрывных течений при частичных открытиях окон поворотных диафрагм авторы [13] рекомендуют перемещать поворотное кольцо в случае закрытия в направлении от вогнутой к выпуклой поверхности соплового канала, а в случае открытия – в обратном направлении. Однако натурные эксперименты авторов [13] и численные эксперименты авторов данной работы показали, что и при данном методе регулирования параметры потока рабочего тела на входе в рабочую решетку достаточно сильно изменяются в окружном направлении, что плохо влияет на надёжность и экономичность турбины. Для дальнейшего улучшения работы поворотной диафрагмы в [13] предложена следующая конструкция. В подвижной части 2 направляющих лопаток 3 (рис. 2) предусмотрены полости 6, соединённые с проточной частью турбины отверстиями 5 и 7. Элемент лопатки 4 закреплён в диафрагме 3 и является неподвижным.
При частично открытой диафрагме на одной стороне лопатки образуется область внезапного сужения, а на другой — внезапного расширения потока. За счёт разности давлений из области внезапного сужения через отверстия 5 и 7 пар попадает в область внезапного расширения, смывая заторможенный поток. Благоданя данному процессу снижаются потери энергии в поворотной диафрагме и уменьшаются действующие на неё со стороны потока переменные силы. При закрытой регулирующей диафрагме часть лопатки 2 полностью перекрывает канал между лопатками, но открытые отверстия 5 и 7 пропускают пар, охлаждающий ступени, следующие за поворотной диафрагмой. При этом надёжность работы этих ступеней повышается.
Рис. 2. Конструкция усовершенствованного варианта поворотной диафрагмы:
1 – поворотное кольцо; 2 – подвижная часть направляющих лопаток; 3 – диафрагма; 4 – неподвижная часть направляющих лопаток; 5 – входное отверстие; 6 – полость; 7 – выходные отверстия.
Необходимо учитывать, что в частично открытых регулирующих окнах потери на дросселирование больше, чем при сопловом выполнении поворотной диафрагмы, где дросселирование не происходит в окнах, которые уже полностью открыты [14, 15, 16].
Рис. 3. Зависимость внутреннего КПД паровой турбины от объемного расхода (Gv)0
(дроссельное (- — -), сопловое (——))
Рассмотрим зависимость внутреннего КПД паровой турбины от объемного расхода пара (Gv)0 (рис. 3) [17]. Если турбина работает на расчётном режиме при небольших мощностях, т.е. при сравнительно небольшом расходе (Gv)0, КПД турбины с сопловым и дроссельным парораспределением примерно равны, но при очень малых расходах сопловое парораспредение предпочтительнее. При больших мощностях турбин (150÷200 МВт) на расчётном режиме работы турбины дроссельное парораспределение является немного более экономичым, чем сопловое [17, 18, 19]. Однако, экономический эффект выбора дроссельного парораспределения при таких больших мощностях может оказаться весьма существенным [20].
Эффективность работы теплофикационных паровых турбин в отопительный сезон сильнее всего зависит от экономичности части низкого давления (ступеней, следующих за поворотной диафрагмой). Прикрытие окон поворотной регулирующей диафрагмы приводит к потерям энергии в регулирующей ступени из-за возникновения зон обратных течений между лопатками. Это было подтверждено результатами численного моделирования течений в регулирующих ступенях частей низкого давления турбин, проведённого на кафедре «Тепловые двигатели и теплофизика» КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана.
На рис. 4 представлен процесс расширения и схема течения в поворотной диафрагме [17].
Рис. 4. Процесс расширения и схема течения в регулирующей диафрагме.
а – процесс расширения в Н–s диаграмме: 1 – при условии чистого дросселирования, 2 – в реальном процессе; б – схема течения в регулирующей ступени: 1- поворотное кольцо, 2 – профильная часть лопаток;
При расчёте переменного режима части низкого давления необходимо определять распределения по высоте поворотной диафрагмы локальных значений расходов пара, углов выхода потока и потерь энергии при разной степени открытия диафрагмы. При небольшом открытии поворотной диафрагмы расход пара соответствует критическому. Угол выхода потока из сопловой решетки α1 при этом определяется из уравнений неразрывности [17].
Рис. 5. Распределение по высоте локальных КПД регулирующей ступени турбины Т-180-12,8; I – опыт, II – расчет;
(1 – δ = 0,06; 2 – δ = 0,25; 3 – δ=0,4)
На рис. 5 представлено сопоставление результатов расчёта с газодинамическим исследованием турбины ЛМЗ Т-180-12,8 в виде зависимостей распределения по высоте лопаток КПД регулирующей ступени при частичном открытии окон диафрагмы (δ – величина относительного открытия окон).
Рис. 6. Распределение по высоте лопаток потерь энергии и углов выхода потока в регулирующей диафрагме турбины Т-180-12,8.
а – распределение потерь; б – распределение углов; (δ: 1 – 1,0; 2 – 0,8, 3 – 0,6, 4 – 0,5, 5 – 0,4, 6 – 0,3, 7 – 0,2, 8 – 0,1)
На рис. 6 представлено изменение по высоте лопаток углов выхода потока и потерь энергии в поворотной регулирующей диафрагме при фиксированных параметрах на входе в диафрагму и давлении в конденсаторе. С уменьшением степени открытия, потери в средних сечениях увеличиваются ζ= 0,08 до ζ= 0,65 при δ=0,05…0,1. Более интенсивно растут потери в корневых и периферийных сечениях.
Результаты и обсуждения
В результате проведённой работы были выделены и подробно рассмотрены основные факторы, влияющие на работу паровых турбин на нерасчётных режимах. Результаты были обсуждены на методическом семинаре кафедры «Тепловые двигатели и теплофизика» КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Выводы
Исходя из того, что существует огромное количество взаимосвязанных факторов, влияющих на работу паровых турбин на переменных режимах, основные из которых были рассмотрены в данной статье, можно сделать вывод, что в ходе дальнейших исследований необходима разработка программы расчёта параметров ступеней паровой турбины при её работе на переменных режимах. Это позволит на основе многовариантных оптимизационных расчётов прогнозировать эффективность работы турбин в разных условиях и дать рекомендации для дальнейшего совершенствования конструкции регулирующих устройств и ступеней турбины.
1. Бененсон Е.И., Иоффе Л.С. Теплофикационные паровые турбины. — М.: Энергоатомиздат. — 1986. – С. 88-127.
2. Бузин Д.П., Бененсон Е.И. Теплофикационные турбины с частичной тепловой нагрузкой. – Энергомашиностроение, 1972. — №1 – С. 1-14.
3. Бунин В.С., Васильев М.К. Особенности режимов работы турбины ТК-450/500-60. – Теплоэнергетика, 1982, №4, С. 14-17.
4. Гиршфельд В.Я., Князев А.М., Куликов В.Е. Режимы работы и эксплуатация ТЭЦ. – М.: Энергия, 1980. – 228 с.
5. Доброумов Л.А. Телякова Т.В. Паротурбинные установки для ТЭС и АЭС. — М.: Энергоатомиздат. — 1995. – С. 189-197.
6. Использование конденсационных турбоустановок для теплофикации. / Ю.А. Авербах и др. – М.: Теплоэнергетика, 1980, №7, С. 37-41.
7. Кириллов И.И., Иванов В.А., Кириллов А.И. Паровые турбины и паротурбинные установки. – Л.: Машиностроение, 1978. – 276 с.
8. Щегляев А.В. Паровые турбины. Т.2. Теория теплового процесса и конструкции турбин — М.: Энергоатомиздат. — 1993. – 127 с.
9. О выборе схемы регулирования теплофикационной турбины / А.В. Рабинович и др. — М.: Теплоэнергетика, 1978, №5, С. 38-41.
10. Дроконов А.М., Дроконов А.Е. Совершенствование регулирующих диафрагм паровых турбин – Брянск: Вестник БГУ. – 2015. — №2 – С. 26.
11. Самойлович Г.С., Трояновский Б.М. Переменные и переходные режимы в паровых турбинах. — М.: Энергоиздат. — 1982. – 496 с.
12. Сурис П.Л. Предохранительные и обратные клапаны паротурбинных установок. — М.: Энергоиздат. — 1982. – 192 с.
13. Альссад М.Р. Исследование переменного режима работы паровых и утилизационных паротурбинных установок (диссертация) — 1995.
14. Трояновский Б.М. Зарубежные теплофикационные паротурбинные установки. — М.: Теплоэнергетика, 1984, №4, С. 64-68.
15. Трухний А.Д., Лосев С.М. Стационарные паровые турбины. — М.: Энергоиздат. – 1981. – 456 с.
16. Щегляев А.В., Смельницкий С.Г. Регулирование паровых турбин. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. – 256 с.
17. Симою Л.Л. Расчёт переменных режимов ЧНД теплофикационных турбин / Л.Л. Симою, М.С. Индурский, Е.И. Эфрос // М.: Теплоэнергетика. — 2000. — №2. — С. 16-20.
18. Кириллов И.И. Автоматическое регулирование паровых турбин и газотурбинных установок. – 2-е изд. Л.: Машиностроение, 1988. – 447 с.
19. Турбины тепловых и атомных электрических станций. /Под ред. А.Г. Костюка и В.В. Фролова/. М.: МЭИ, 2001. – 488 с.
20. Смоленский А.Н. Паровые и газовые турбины. – М.: Машиностроение, 1977. – 288 с.
1. Benenson E.I., Ioffe L.S. Teplofikacionnye parovye turbiny. — M.: Energoatomizdat. — 1986. – Pp. 88-127.
2. Buzin D.P., Benenson E.I. Teplofikacionnye turbiny s chastichnoj teplovoj nagruzkoj. – Energomashinostroenie, 1972. — No1 – Pp. 1-14.
3. Bunin V.S., Vasilev M.K. Osobennosti rezhimov raboty turbiny TK-450/500-60. – Teploehnergetika, 1982, No4, Pp. 14-17.
4. Girshfeld V.Y., Knyazev A.M., Kulikov V.E. Rezhimy raboty i ehkspluataciya TEHC. – M.: Energiya, 1980. – 228 p.
5. Dobroumov L.A. Telyakova T.V. Paroturbinnye ustanovki dlya TES i AES. — M.: Energoatomizdat. — 1995. – Pp. 189-197.
6. Ispolzovanie kondensacionnyh turboustanovok dlya teplofikacii. / Y.A. Averbah i dr. – M.: Teploehnergetika, 1980, No7, Pp. 37-41.
7. Kirillov I.I., Ivanov V.A., Kirillov A.I. Parovye turbiny i paroturbinnye ustanovki. – L.: Mashinostroenie, 1978. – 276 p.
8. Sheglyaev A.V. Parovye turbiny. T.2. Teoriya teplovogo processa i konstrukcii turbin — M.: Energoatomizdat. — 1993. – 127 p.
9. O vybore skhemy regulirovaniya teplofikacionnoj turbiny / A.V. Rabinovich i dr. — M.: Teploehnergetika, 1978, No5, Pp. 38-41.
10. Drokonov A.M., Drokonov A.E. Sovershenstvovanie reguliruyushchih diafragm parovyh turbin – Bryansk: Vestnik BGU. – 2015. -No2 – Pp. 26.
11. Samojlovich G.S., Troyanovskij B.M. Peremennye i perekhodnye rezhimy v parovyh turbinah. — M.: Energoizdat. — 1982. – 496 p.
12. Suris P.L. Predohranitelnye i obratnye klapany paroturbinnyh ustanovok. — M.: Energoizdat. — 1982. – 192 p.
13. Alssad M.R. Issledovanie peremennogo rezhima raboty parovyh i utilizacionnyh paroturbinnyh ustanovok (dissertaciya) — 1995.
14. Troyanovskij B.M. Zarubezhnye teplofikacionnye paroturbinnye ustanovki. — M.: Teploehnergetika, 1984, No4, Pp. 64-68.
15. Truhnij A.D., Losev S.M. Stacionarnye parovye turbiny. — M.: Energoizdat. – 1981. – 456 p.
16. Sheglyaev A.V., Smelnickij S.G. Regulirovanie parovyh turbin. – M.-L.: Gosehnergoizdat, 1962. – 256 p.
17. Simoyu L.L. Raschyot peremennyh rezhimov CHND teplofikacionnyh turbin / L.L. Simoyu, M.S. Indurskij, E.I. Efros // M.: Teploehnergetika. — 2000. — No2. — Pp. 16-20.
18. Kirillov I.I. Avtomaticheskoe regulirovanie parovyh turbin i gazoturbinnyh ustanovok. – 2-e izd. L.: Mashinostroenie, 1988. – 447 p.
19. Turbiny teplovyh i atomnyh ehlektricheskih stancij. /Pod red. A.G. Kostyuka i V.V. Frolova/. M.: MEI, 2001. – 488 p.
20. Smolenskij A.N. Parovye i gazovye turbiny. – M.: Mashinostroenie, 1977. – 288 p.
