Влияние системы регулирования пропуска пара в турбоагрегат на его энергетическую характеристику.

На характеристики турбоагрегатов большое влияние оказывает система регулирования пропуска пара в турбину. Для отдельных типов и в зависимости от мощности турбоагрегатов системы регулирования существенно различаются. Основными системами регулирования являются следующие:

· дроссельные (качественное регулирование);

· обводные;

· сопловые (количественное регулирование).

Энергетические расходные характеристики паровых турбоагрегатов в зависимости от системы их регулирования представляют собой либо прямые линии, либо прямые с изломом или же с несколькими изломами (рис. 1.18).

Система регулирования:

а – дроссельная б – обводная в – сопловая.

 

Рис. 1.18. Энергетические характеристики турбоагрегатов в зависимости от системы их регулирования.

 

Простейшую конфигурацию имеют характеристики турбоагрегатов с дроссельным регулированием.

Дроссельное регулирование заключается в том, что дроссель открывается постепенно. По мере роста нагрузки открытие дросселя увеличивается, и пропуск пара возрастает, а потери на дросселирование уменьшаются. Поскольку с ростом нагрузки потери уменьшаются, такое регулирование называется качественным.

Конфигурация энергетической характеристики такова, что при возрастании нагрузки угол наклона касательной к оси абсцисс в каждой точке – величина постоянная, поэтому изображается отрезком прямой параллельной оси абсцисс (рис. 1.18.а).

Для увеличения пропуска пара через проточную часть турбин большой мощности применяется обводное регулирование, осуществляемое обводным дросселем, пропускающим пар при больших нагрузках генератора непосредственно в одну из промежуточных ступеней турбины в обвод ее первых ступеней (рис. 1.19).

 

Рис. 1.19. Система обводного регулирования подачи пара.

 

Обводное регулирование применяется также в турбоагрегатах, предназначенных для покрытия, наряду с базовой кратковременной, пиковой нагрузки и для этой цели допускается добавочный пропуск пара, помимо первых рабочих ступеней в хвостовую часть, рассчитанную на такой режим.

На рисунке 1.19.а показана обводная система регулирования подачи пара через дроссель 2 в промежуточную ступень турбины. Рядом (рис. 1.19.б) приведена эквивалентная схема турбоагрегата с условно выделенными ступенями высокого и низкого давления. Обводная подача пара через обводной перегрузочный дроссель 2 обеспечивает дополнительную мощность (), кроме мощности, развиваемой основным потоком пара ().

Из-за ограниченной пропускной способности первых ступеней турбин возможен только 80% пропуск пара от величины . При обводном регулировании пар предварительно дросселируется до параметров той ступени, в которую он подается. Частичное выключение из термодинамического цикла первых ступеней турбины уменьшает используемый адиобатический теплоперепад.

Пар, поступающий в промежуточную ступень, используется с меньшим теплоперепадом. Следовательно, на нём меньше вырабатывается электрической энергии и, таким образом, для выработки 1 МВт·ч электроэнергии тепла надо затратить больше.

В результате энергетическая расходная характеристика конденсационного турбоагрегата с обводным регулированием выглядит как ломаная линия, где точка излома, как правило, соответствует нагрузке, примерно равной 80 % от . Эта нагрузка называется экономической нагрузкой .

Энергетическая расходная характеристика турбоагрегата с обводным регулированием выглядит следующим образом (рис. 1.20).

 

Рис. 1.20. Общий вид энергетической характеристики турбоагрегата с обводным регулированием.

 

Энергетическая характеристика в данном случае имеет два относительных прироста расхода тепла (рис.1.21):

– относительный прирост в экономической зоне;

– относительный прирост в сверх экономической зоне.

Аналитическое выражение энергетической характеристики имеет следующий вид, Гкал/ч:

 

(1.33)

где

– расход тепла на холостой ход;

и – относительные приросты расхода тепла;

– экономическая нагрузка, если не задана, то принимается ;

– текущая нагрузка.

Рис. 1.21. Энергетическая характеристика с двумя относительными приростами расхода тепла.

 

Если текущая нагрузка находится в пределах экономической зоны, то есть , то фактически в характеристике используются только первые два слагаемых.

При дальнейшем возрастании нагрузки в пределах сверх экономической зоны до , принимаются во внимание все три составляющие.

 

Пример:

Гкал/ч

Гкал/ч

 

Для турбоагрегата с обводным регулированием . Значение первого относительного прироста для турбоагрегатов малой и средней мощности имеет диапазон изменения Гкал/МВт∙ч, а второго соответственно – Гкал/МВт∙ч. Разность между и относится на величину дополнительного относительного прироста потерь, связанного с изменением параметров пара . Для турбоагрегатов большой мощности указанная разность менее значительна.

 

Пример:

 

Иную интерпретацию получает энергетическая расходная характеристика турбоагрегата типа «К» с обводным регулированием, если выделить на графике зону потерь при дросселировании (рис. 1.22).

 

Рис. 1.22. Энергетическая характеристика с учетом потерь на дросселирование.

 

Заштрихованная зона на графике – потери на дросселирование, связанные с включением обводного дросселя.

Аналитическое выражение характеристики в данном случае имеет вид, Гкал/ч:

 

(1.34)

 

Эта зависимость эквивалентна предыдущей (1.33).

Пример:

а) Энергетическая расходная характеристика турбоагрегата :

Гкал/ч

МВт

 

б) Энергетическая расходная характеристика турбоагрегата :

Гкал/ч

МВт

 

Рассмотрим более подробно понятие экономическая нагрузка.

Экономическая нагрузка – это нагрузка, которой соответствует минимальный удельный расход тепла на выработку электроэнергии.

Удельный расход тепла может быть определен по следующей формуле, Гкал/МВт∙ч:

 

(1.35)

 

С увеличением нагрузки первое слагаемое уменьшается. Второе слагаемое постоянно, третье слагаемое – увеличивается. В результате в зависимости от соотношения изменяющихся величин (первого и третьего слагаемых), возможны три различных варианта изменения удельного расхода тепла.

Первый вариант изменения удельного расхода тепла (рис. 1.23).

 

Рис. 1.23. Первый вариант изменения удельного расхода тепла.

 

Увеличение расхода тепла за счет дополнительных потерь, начиная от излома характеристики (третье слагаемое), полностью компенсируется уменьшением относительной величины расхода холостого хода (первое слагаемое) и удельные расходы в диапазоне от до остаются неизменными. Это возможно только тогда, когда продолжение прямой bc приводит в начало координат. При этом условии величина удельного расхода тепла на участке de постоянна и имеет минимальное значение.

В первом варианте имеется не одно, а множество значений экономической нагрузки, что определяет область экономических нагрузок от точки до точки (). Таким образом достигается при .

Во втором варианте изменения удельного расхода тепла (рис. 1.24).увеличение расхода тепла за счет дополнительных потерь частично компенсируется уменьшением относительной величины расхода холостого хода и удельный расход на участке de продолжает снижаться. Нагрузка, соответствующая точке излома b характеристики , больше не является экономической нагрузкой, так как значение удельного расхода в точке d не является минимальным и превышает значение в точке e. Для второго варианта продолжение прямой bc дает положительный отрезок m0 при пересечении с осью ординат. Фактически совпадает с .

 

Рис. 1.24. Второй вариант изменения удельного расхода тепла.

 

Таким образом достигается при .

Третий вариант изменения удельного расхода тепла представлен на рисунке 1.25.

Рис. 1.25. Третий вариант изменения удельного расхода тепла.

Здесь увеличение расхода тепла за точкой излома характеристики за счет дополнительных потерь превышает уменьшение относительной величины расхода тепла на холостой ход и удельный расход тепла на участке de начинает возрастать. Минимум удельного расхода тепла достигается в точке открытия перегрузочного дросселя.

Мощность, при которой открывается перегрузочный обводной дроссель, реально становится экономической и является единственным значением экономической нагрузки.

Третий вариант изменения удельного расхода тепла является наиболее распространенным. У турбоагрегатов с обводным регулированием эта характеристика встречается наиболее часто. Её особенность состоит в том, что продолжение прямой bc до пересечения с осью ординат дает отрицательный отрезок n0.

Таким образом достигается при .

Можно сделать следующий общий вывод.

Конфигурация графика удельного расхода тепла турбоагрегата с обводным регулированием при нагрузке равной или большей экономической определяется углом наклона прямой за точкой излома энергетической расходной характеристики по отношению к осям координат.

 

Задача 1.

Дана энергетическая расходная характеристика с обводным регулированием:

Гкал/ч

и, соответственно, эквивалентная характеристика:

Гкал/ч.

 

Необходимо назвать все параметры энергетических характеристик, а также указать на различия в указанных модификациях.

 

Задача 2.

Энергетическая характеристика турбоагрегата К-100-90 с обводным регулированием имеет вид:

Гкал/ч

 

Номинальная мощность турбоагрегата – 100 МВт

Экономическая мощность турбоагрегата – 80 МВт

Определить часовой расход тепла при нагрузке МВт.

Гкал/ч.

 

Определить часовой расход тепла при нагрузке МВт.

Гкал/ч.

 

Определить удельный расход тепла в точках a, b, c, d характеристики удельных расходов (рис. 1.26).

 

Рис. 1.26. Энергетическая расходная характеристика турбоагрегата

и характеристика удельных расходов тепла.

Задача 3.

Необходимо провести расчет и построение энергетической характеристики турбоагрегата конденсационного К-100-90 с обводной системой регулирования.

Исходные данные получены по результатам испытаний турбоагрегата при различных значениях нагрузки (табл. 1.1).

Таблица 1.1.

Результаты испытаний турбоагрегата.

Нагрузка , МВт		63,5
Расход пара , т/ч
Теплосодержание свежего пара io, ккал/кг
Температура питательной воды , ^оС *
КПД генератора , %	98,0	98,2	98,3	98,4

* Энтальпию питательной воды, выраженную в Ккал/кг, принимаем численно равной в ^оС.

Требуется выполнить:

1. Расчет часовых расходов тепла при принятых электрических нагрузках .

2. Графическое построение энергетической расходной характеристики турбоагрегата и определение ее аналитического выражения.

3. Расчет потерь тепла в турбоагрегате:

3.1. – в окружающую среду;

3.2. – механических;

3.3. – электрических при заданных электрических нагрузках.

4. Графическое построение характеристики электрических потерь тепла в генераторе от нагрузки и определение её аналитического выражения .

5. Определение аналитического выражения зависимости потерь тепла в конденсаторе от нагрузки .

6. Расчет и графическое построение балансов тепла турбоагрегата при нагрузках = 30, 60, 90, 100 МВт, в абсолютных значениях и %.

7. Расчет турбоагрегата при тех же нагрузках и анализ полученных результатов.

Решение.

1. Расчет часовых расходов тепла при принятых электрических нагрузках:

, Гкал/ч

Гкал/ч

Гкал/ч

Гкал/ч

Гкал/ч

2. По полученным значениям часового расхода тепла и соответствующим им нагрузкам производим графическое построение энергетической характеристики турбоагрегата (рис. 1.27).

Для этого соединяем точки отрезками прямой и продолжаем одну из них до пересечения с осью координат. Точка пересечения характеризует величину расхода тепла на турбину при нулевой нагрузке. Как видно из графика Гкал/ч.

Рис. 1.27. Зависимость часового расхода тепла от нагрузки турбоагрегата конденсационного типа с обводным регулированием.

Угол наклона прямой АВ к оси абсцисс равен , а прямой BF – .

Из треугольников АВС и ВDF определяем и :

Гкал/МВт∙ч

Гкал/МВт∙ч

Следовательно, до точки излома характеристики (точка В) относительный прирост расхода тепла Гкал/МВт∙ч, а после точки излома, т.е. после включения обводного дросселя возрастает до Гкал/МВт∙ч и остается постоянным до значения нагрузки .

Итак, энергетическая расходная характеристика турбоагрегата К-100-90 с обводной системой регулирования может быть записана в следующем виде:

Для того чтобы избавиться от минуса преобразуем формулу:

В результате имеем:

Гкал/ч.

 

3. Расчет потерь тепла в турбоагрегате.

 

Все тепло, подведенное к турбоагрегату, расходуется на полезное тепло и потери:

Суммарные потери в свою очередь складываются из:

Известно, что полезный расход тепла Гкал/час, тогда:

Гкал/ч

3.1. Потери тепла в окружающую среду не зависят от нагрузки и принимаются равными 2 % от номинальной нагрузки турбоагрегата:

Гкал/ч

 

3.2. Механические потери тепла турбоагрегата также не зависят от нагрузки и принимаются равными 1 % от номинальной нагрузки турбоагрегата:

Гкал/ч

 

3.3. Электрические потери в генераторе складываются из постоянных (потери на намагничивание и в системе возбуждения генератора) и переменных (нагрузочных) потерь (см. формулу 1.17), Гкал/ч

Пользуясь исходными данными, определяем для соответствующих значений нагрузки:

Гкал/ч

Гкал/ч

Гкал/ч

Гкал/ч

 

4. По данным и строим зависимость (рис. 1.28).

 

Рис. 1.28. Зависимость электрических потерь тепла в генераторе от нагрузки.

Соединяя точки прямой и продолжая ее до пересечения с осью ординат, получаем постоянную часть электрических потерь генератора:

Гкал/ч

 

Относительный прирост переменных электрических потерь в генераторе определяется как тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс:

Гкал/МВт∙ч

 

Следовательно, аналитическое выражение зависимости примет вид:

Гкал/ч

 

5. Потери тепла с конденсацией пара определяются как разница между суммарными потерями тепла в турбоагрегате и суммой (), то есть :

Гкал/ч

 

Разделы 6 и 7 задачи выполнить самостоятельно.