1. Лекции_Конденсационные установки

Раздел 1. ТЕПЛООБМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЦИКЛА ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

1.1. Конденсационные установки паровых турбин

Рекомендуемая литература:

- учебная и учебно-научная литература

1.Ледуховский Г.В., Поспелов А.А., Коротков А.А. Конденсационные установ- ки паровых турбин: схемы, конструкции, эксплуатация оборудования: Учеб. посо- бие / ГОУ ВПО «Ивановский гос. энергетич. ун-т им. В.И. Ленина». – Иваново, 2010. – 152 с. ISBN 9785-89482-691-2 (в объеме лекционного курса по разделу).

2.Теплообменники энергетических установок: Учебник для вузов. К.Э. Арон- сон, С.Н. Блинков, В.И. Брезгин и др. Под ред. профессора, докт. техн. наук Ю.М. Бродова. – Екатеринбург: Изд-во «Сократ», 2002. – 968 с (любое издание;

расширенный объем материала по разделу).

3.Справочник по теплообменным аппаратам паротурбинных установок / Ю.М. Бродов, К.Э. Аронсон, А.Ю. Рябчиков, М.А. Ниренштейн; под. общ. ред. Ю.М. Бродова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – 480 с (любое издание; сокра-

щенный конспект материала по разделу).

4.Кирсанов И.Н. Конденсационные установки, – М.– Л.: изд-во «Энергия», 1965, – 376 с. (любое издание; углубленное изучение особенностей технологиче- ских процессов).

5.Турбины тепловых и атомных электростанций : учебник для вузов / А.Г. Кос- тюк [и др.]; под ред. А.Г. Костюка, В.В. Фролова. – М.: Изд-во МЭИ, 2001. – 488 с (любое издание, базовые сведения с привязкой к типам турбоустановок).

6.Капелович Б.Э. Эксплуатация паротурбинных установок / Б.А. Капелович. –

М.: Изд-во «Энергия», 1975. – 288 с. (вопросы эксплуатации)

- нормативно-технические и методические документы:

7.Методические указания по эксплуатации конденсационных установок паро- вых турбин электростанций: РД 34.30.501: утв. Главным техническим управлением по эксплуатации энергосистем 04.06.1985 : ввод. в действие с 01.07.1986. – М.: Изд- во стандартов, 1986. – 102 с.

8.Правила технической эксплуатации тепловых электрических станций и сетей Российской Федерации : офиц. текст : утв. Приказом Минэнерго России № 229 от

19.06.03: ввод. в действие с 30.06.03 : зарег. в Минюсте России 20.06.03 № 4799. – М.: Омега-Л, 2006. – 256 с.

9.Методика определении режима наивыгоднейшего вакуума в паротурбинных установках : офиц. текст : утв. Народным комиссариатом электростанций СССР. – М.; Л.: Гос. энергетич. изд-во, 1944. – 28 с.

10.Руководящие указания по установлению и поддержанию режима наивыгод- нейшего вакуума в паротурбинных установках : офиц. текст : утв. Народным комис- сариатом электростанций СССР. – М.; Л.: Гос. энергетич. изд-во, 1941. – 22 с.

1

А. Влияние давления пара в конденсаторе на тепловую экономичность паротурбинной установки

С понижением давления и температуры отработавшего в турбине пара уменьша- ется количество теплоты, передаваемой холодному источнику (охлаждающей воде в конденсаторе), при этом термический КПД цикла паротурбинной установки уве- личивается. При неизменных параметрах свежего пара уменьшение давления пара за турбиной приводит к увеличению её мощности за счет увеличения срабатываемо- го теплоперепада.

Для различных турбоагрегатов изменение вырабатываемой электрической мощ- ности при изменении давления отработавшего пара на одну и ту же величину (при постоянном расходе пара в конденсатор) различно (см. табл. 1.1).

Таблица 1.1. Изменение вырабатываемой электрической мощности турбоагрегатов при изменении давления отработавшего пара в конденсаторе на ± 1 кПа

Эти различия обусловлены отличием конструктивных характеристик проточной части низкого давления (ЧНД) и связанных и ними различий в характере изменения внутреннего относительного КПД ЧНД при изменении объемного пропуска пара че- рез неё.

Влияние конечного давления на мощность турбины тем меньше, чем больше сра- батываемый в ней теплоперепад, то есть чем выше начальные параметры пара перед турбиной.

Для каждого турбоагрегата влияние давления отработавшего пара на вырабаты- ваемую электрическую мощность неоднозначно при различных значениях расхода пара в конденсатор. В эксплуатации используют специальные характеристики, учи- тывающие эту неоднозначность. Рассмотрим пример такой характеристики (см. рис. 1.1). На характеристике можно выделить две области:

–область, заключенная между линиями I и II. Здесь вне зависимости от расхода пара в конденсатор поправка к мощности одинакова при изменении давления пара

вконденсаторе на одну и ту же величину. Эта область соответствует режимам с докритической скоростью истечения пара из рабочей решетки последней ступени турбоагрегата;

–область вне линий I и II. Нижняя часть этой области (ниже линии I) соответст- вует режимам со сверхкритическими скоростями истечения пара из рабочей решет- ки последней ступени. При этом изменение давления в конденсаторе не сказывается на параметрах пара перед последней ступенью. Мощность всех ступеней турбины, кроме последней, остается постоянной, а мощность турбины изменяется только за счет изменения окружной составляющей скорости выхода пара из рабочей решетки последней ступени. В области выше линии II при очень высоком противодавлении зависимость также имеет изгиб, объясняющийся снижением влияния режима по- следней ступени, на которой при высоких противодавлениях срабатывается очень

2

малый тепловой перепад. Поэтому вне зоны, ограниченной линиями I и II прямая зависимость между приращением теплоперепада и мощности нарушается.

Рис. 1.1. Поправка к вырабатываемой электрической мощности на отклонение дав- ления отработавшего пара в конденсаторе турбоагрегата: ∆NР2, кВт – поправка к мощ-

ности; Р2, кгс/см2 – абсолютное давление пара в конденсаторе; DЧНД, т/ч – расход пара на входе в ЧНД турбоагрегата (равный в данном случае расходу пара в конденсатор)

Порядок использования таких характеристик состоит в следующем. Пусть требу- ется определить изменение вырабатываемой турбоагрегатом электрической мощно- сти при постоянном расходе пара в конденсатор при переходе от режима «А» к ре- жиму «Б». Для этого следует определить точки пересечения вертикалей, соответст- вующих значениям давления пара в конденсаторе для рассматриваемых режимов с

3

линией постоянного заданного расхода пара в конденсатор (точки «А» и «Б» на рис. 1.1). Разность между ординатами точек «А» и «Б» в соответствующем мас- штабе представляет собой изменение вырабатываемой электрической мощности. Учитывая, что при переходе от режима «А» к режиму «Б» в рассматриваемом при- мере давление пара в конденсаторе уменьшилось, поправка к мощности будет по- ложительной, то есть электрическая мощность возрастет.

Таким образом, уменьшение давления отработавшего пара в конденсаторе приво- дит к увеличению вырабатываемой турбоагрегатом электрической мощности. Суще- ствует два основных предела, ограничивающих минимальное давление пара в кон- денсаторе (максимальное значение вакуума) – это предельный и экономический ва- куум.

Понятие предельного вакуума связано с конструктивными и режимными характе- ристиками проточной части ЧНД. При понижении давления пара в конденсаторе в некоторый момент достигается предельная пропускная способность последней сту- пени ЧНД. Это выражается в том, что в выходном сечении рабочей решетки и сопл этой ступени давление пара перестает изменяться ввиду исчерпания её расшири- тельной способности. При этом расширение пара от давления в выходном сечении рабочей решетки последней ступени до давления в конденсаторе проходит уже в выхлопном патрубке турбоагрегата, а вырабатываемая электрическая мощность ос- тается неизменной.

Предельный вакуум в конденсаторе, при котором достигается максимум выраба- тываемой электрической мощности, обычно не является экономически выгодным, поскольку понижение давления пара в конденсаторе сопряжено с увеличением за- трат электроэнергии на подачу дополнительного количества охлаждающей воды и, соответственно, на привод циркуляционных насосов. Рассмотрим пример (рис. 1.2).

Турбоагрегат работает с постоянным расходом пара в конденсатор DК при по- стоянной температуре охлаждающей воды на входе в конденсатор tв1. Пусть имеется возможность непрерывного регулирования расхода охлаждающей воды через кон- денсатор. При минимальном значении расхода охлаждающей воды W0 устанавлива- ется некоторое значение абсолютного давления пара в конденсаторе pк0. Увеличение расхода охлаждающей воды (вплоть до максимально возможного значения Wмакс) приведет к непрерывному уменьшению давления отработавшего пара (равному

при расходе охлаждающей воды Wмакс). При этом будет увеличиваться как вырабатываемая турбоагрегатом электрическая мощность NТ, так и затраты мощно- сти на привод циркуляционных насосов NН. Полезный отпуск электрической мощ- ности в сеть, рассчитываемый как разность ∆N = (NТ – N Н), имеет максимум (точка «А» на рис. 1.2), которому соответствуют некоторые оптимальные значения расхода охлаждающей воды Wопт и абсолютного давления пара в конденсаторе pк(опт). Ваку- ум, соответствующий, абсолютному давлению pк(опт), называется экономическим или наивыгоднейшим. Значение pк(опт) больше, чем предельное давление пара в кон- денсаторе pк(пред) (точка «Б» на рис. 1.2).

4

В целом ряде нормативных документов, например в «Методических указаниях по составлению и содержанию энергетических характеристик оборудования тепло- вых электростанций (РД 34.09.155-93)», а также в «Методических указаниях по со- ставлению отчета электростанции и акционерного общества энергетики и электри- фикации о тепловой экономичности оборудования (РД 34.08.552-95)», сформулиро- ваны требования по поддержанию при эксплуатации турбоагрегатов режимов их ра- боты с наивыгоднейшим вакуумом. Однако методические основы разработки соот- ветствующих режимных характеристик в современных нормативных документах отсутствуют.

Исторический обзор развития нормативно-технической документации в энерге- тике позволяет заключить, что в середине прошлого века в СССР был разработан ряд документов, регламентирующих процедуру расчета режимов работы турбин с наивыгоднейшим вакуумом, а именно:

–Методика определения режима наивыгоднейшего вакуума в паротурбинных установках / НКЭС-СССР, Гос. трест по организации и рационализации районных электрических станций с сетей (ОРГРЭС) – М.: Гос. энергетическое издательство, 1941.

–Руководящие указания по установлению и поддержанию режима наивыгод- нейшего вакуума в паротурбинных установках / НКЭС-СССР, Гос. трест по органи-

зации и рационализации районных электрических станций с сетей (ОРГРЭС)

–М.: Гос. энергетическое издательство, 1944.

Вуказанных документах приведены основы методики определения характери- стики наивыгоднейшего вакуума как в ходе испытаний турбоустановки, так и рас- четным путем с использованием энергетических характеристик оборудования. Рас- смотрим алгоритм расчетного определения этой характеристики на примере.

Пример расчетного определения характеристики наивыгоднейшего вакуума

Требуется построить характеристику наивыгоднейшего вакуума турбоустанов- ки с турбиной Т-100/120-130 ТМЗ с использованием энергетических характеристик оборудования. В составе установки блочно работают два циркуляционных насоса. При одном работающем насосе расход циркуляционной воды составляет W1 = 8 000 м3/ч, а мощность привода этого насоса – N н1 = 870 кВт. При двух рабо- тающих насосах – соответственно W2 = 16 000 м3/ч и Nн2 = 1 740 кВт.

Задача решается следующим образом:

1. Задаются несколько значений расхода пара в конденсатор; примем значения

Dк = 50 т/ч, 150 т/ч и 250 т/ч.

2.Задаются несколько значений температуры воды на входе в конденсатор; примем значения tв1 = 5 оС, 15 оС, 30 оС.

3.Задаются возможные значения расхода охлаждающей воды – в нашем случае

W = 8 000 м3/ч; 16 000 м3/ч.

4.Формируется расчетная таблица (табл. 1.2):

6

Таблица 1.2. Расчет характеристики наивыгоднейшего вакуума

5. По энергетической характеристике конденсатора (рис. 1.3) при каждом соче- тании значений W, Dк и tв1 определяется давление пара в конденсаторе. Результаты заносятся в третий и четвертый столбцы табл. 1.2.

6. По энергетической характеристике поправки к мощности турбины на откло- нение давления отработавшего пара в конденсаторе (см. рис. 1.1) при каждом соче- тании значений Dк и tв1 определяется прирост мощности турбогенератора при пере- ходе от W = 8000 м3/ч к W = 16000 м3/ч. Результаты заносятся в пятый столбец табл. 1.2.

Рис. 1.3. Энергетическая характеристика конденсатора паровой турбины Т-100/120-130 ТМЗ: Р2 – абсолютное давление отработавшего пара в конденсаторе; DЧНД = Dк – расход пара в часть низкого давления турбины (равный для данной турбины расходу пара в конденсатор); tв1 – температура охлаждающей воды на входе в конденсатор; WОВ – расход охлаждающей воды через конденсатор

7

7. По данным табл. 1.2. выполняется построение промежуточного графика ∆Νт = ƒ(D к, tв1) для каждого из значений tв1 = 5; 15; 25 ˚С (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Построение промежуточного графика: пояснения – в тексте

8.На промежуточный график наносится горизонталь, соответствующая прирос- ту мощности на привод насосов при переходе от W = 8000 м3/ч к W = 16000 м3/ч (1740 – 870 = 870 кВт).

9.Точки пересечения графиков прироста мощности на турбине и мощности ра- ботающих насосов (точки «А», «Б» и «В» в рассматриваемом примере) переносятся на характеристику наивыгоднейшего вакуума (рис. 1.5). Характеристика позволяет определить область эффективной работы одного либо двух циркуляционных насо- сов. Аналогично строится характеристика для трех и более циркуляционных насо- сов, работающих в блоке с турбоагрегатом либо характеристика для осевых или диагональных насосов, оборудованных устройством разворота лопастей на ходу.

8

«В-Г») довести рабочее тело до состояния кипящей воды. Размеры рабочего цилин- дра парового компрессора будут тем больше, чем больше будет начальное и меньше конечное давление цикла (при таких условиях точка «В» в рv-диаграмме будет сме- щаться вправо – в сторону увеличения удельного объема пара), то есть чем больше будет разность температур (Т1 – Т2) и, соответственно, термический КПД цикла. За- траты работы на сжатие пара в процессе «В-Г» в этом цикле относительно велики (равны площади заштрихованной фигуры в pv-диаграмме).

Рис. 1.6. Цикл Карно на влажном паре в ТS- и рv-диаграммах

Для паротурбинной установки за идеальный принят другой цикл – цикл Ренкина. Основные отличия цикла Ренкина на влажном паре (см. рис. 1.7) от цикла Карно на влажном паре состоят в следующем. Конденсация пара в конденсаторе (процесс «Б-В») протекает полностью, до состояния кипящей воды. В таких условиях стано- вится ненужным паровой компрессор – он заменяется водяным насосом, который поднимает давление конденсата в процессе «В-Г». Затрачиваемая при этом работа (площадь заштрихованной фигуры в pv-диаграмме) уменьшается в сравнении с цик- лом Карно. Поскольку конденсат на входе в парогенератор (точка «Г») оказывается недогретым до состояния насыщения, в парогенераторе должны протекать процессы изобарного нагрева воды до состояния насыщения (процесс «Г-Д») и парообразова- ния (процесс «Д-А»).

Таким образом, для работы паротурбинной установки по циклу Ренкина необхо- дим теплообменный аппарат, в котором происходит полная конденсация отрабо- тавшего в турбине пара до состояния кипящей воды – конденсатор.

10