Турбины для комбинированной выработки тепла и электрической энергии

Экономический выигрыш у таких турбин обусловлен тем, что в конденсационных установках скрытая теплота парообразования теряется, а здесь используется для бытовых и промышленных потребителей.

Турбины, которые не только служат приводом генератора электрического тока, но и снабжают теплом внешних потребителей, получили общее название теплофикационных и разбиваются на следующие основные типы:

· турбины с противодавлением;

· турбины с одним регулируемым отбором пара;

· турбины с регулируемым отбором пара и противодавлением;

· турбины с двумя регулируемыми отборами пара.

 

Турбины с противодавлением

Схема установки турбины с противодавлением изображена на рис.1.

 

 

Рисунок 1 Принципиальная схема установки с турбиной с противодавлением и конденсационной турбиной:

1– турбина с противодавлением; 2 – конденсационная турбина;

3 – редукционно–охладительная установка

 

Свежий пар подводится из парогенератора с давлением и направляется в турбину 1, где происходит расширение пара до давления . Отработавший в турбине 1 пар поступает в сетевые подогреватели (бойлеры), откуда подогретая вода идет к потребителю тепла. Для отопления применяется пар с давлением =70…250кПа, для промышленных целей требуется пар с давлением =0.4…0.7МПа, а в некоторых случаях с =1.3…1.8МПа.

Пар, проникающий в турбину 1 с противодавлением, расходуется лишь в том количестве, которое необходимо потребителю. Поэтому мощность, развиваемая турбиной с противодавлением, не является произвольной, а связана с нагрузкой теплового потребителя. Мощность турбины выражается равенством:

 

 

где – расход свежего пара;

– располагаемый теплоперепад;

– относительный электрический к.п.д., равный отношению электрической мощности к мощности идеальной турбины.

Поскольку к.п.д. при постоянных параметрах процесса зависит только от пропуска пара через турбину, а располагаемый теплоперепад не меняется, мощность турбины с противодавлением однозначно определяется расходом протекающего через нее пара.

Турбина с противодавлением, работая изолированно, не может полностью обеспечивать потребителей электрической энергией, так как графики потребителей электрической энергии и тепла не совпадают. Поэтому в современных энергосистемах турбины с противодавлением обычно не устанавливаются изолированно, а применяются для параллельной работы с конденсационными турбинами (рис. 1).

При такой работе турбина с противодавлением вырабатывает лишь ту электрическую мощность, которая определяется пропуском пара, идущего к тепловому потребителю, в то время как остальную выработку электрической энергии обеспечивают компенсационные турбины

Таким образом, работая по тепловому графику, турбина с противодавлением покрывает лишь часть электрической нагрузки; остальная электрическая нагрузка ложится на конденсационную турбину. В часы максимальных тепловых нагрузок в линию теплового потребителя добавляется редуцированный свежий пар в том случае, если расход пара, требуемый тепловым потребителям, превышает максимальную пропускную способность турбины с противодавлением. Установленный редуктор давления пара 3 позволяет также снабжать теплового потребителя паром в периоды ремонтов турбины с противодавлением.

То обстоятельство, что мощность, развиваемая турбиной с противодавлением, целиком определяется нагрузкой теплового потребителя, часто не позволяет достаточно эффективно использовать установленную мощность турбогенератора, что ограничивает область применения таких турбин (то есть зимой из–за максимального потребления тепла мощность турбины максимальна, а летом турбина может оказаться без нагрузки). Поэтому такие турбины устанавливают вблизи постоянных потребителей тепла, например, вблизи химпроизводства.

Давление пара, идущего к тепловому потребителю, как правило, требуется поддерживать постоянным.

Для турбины с противодавлением уравнение расходов, связывающее тепловую нагрузку с противодавлением турбины, имеет вид:

 

,

(1)

 

где – емкость паропровода, ведущего от турбины к тепловому потребителю;

– секундный расход пара, проходящего через систему регулирующих клапанов турбины;

– секундный расход пара, отводимый к потребителю;

и – давление и температура отработавшего в турбине пара.

Уравнение (9.1) показывает, что давление отработавшего в турбине пара будет сохраняться лишь в том случае, когда количество пара G_1, прошедшего через турбину, равно количеству пара G₂, идущему к тепловому потребителю. Если , то , то есть давление отработавшего пара растет и наоборот, если то и давление отработавшего пара понижается.

Таким образом, всякое нарушение равенства между количеством пара, идущего от турбины, и количеством пара, расходуемого тепловым потребителем, приводят к изменению давления отработавшего пара.

Для того чтобы турбина с противодавлением могла автоматически поддерживать расход пара, необходимого тепловому потребителю, турбина, помимо регулятора скорости снабжается регулятором давления.

Система регулирования при работе турбины по тепловому графику находится под воздействием регулятора давления. Лишь в том случае, если при работе по тепловому графику произойдет отключение агрегата от сети и генератор разгрузится до нуля, в работу под влиянием повышения частоты вращения вступит регулятор скорости.

В конструктивном отношении турбины с противодавлением отличаются от конденсационных только тем, что в ней нет ступеней, работающих в области низких давлений. Поэтому турбина с противодавлением выполняется так же, как часть высокого давления конденсационной турбины, и обычно состоит из ряда последующих нерегулируемых ступеней.

При выборе конструкции турбины с противодавлением (ТПД) решающее значение имеют объемный пропуск пара, на который должна быть рассчитана турбина, и график нагрузки, с которым турбина будет работать.

Поскольку в ТПД нет ступеней, работающих в области вакуума, отпадают все трудности, связанные с проектированием лопаток для больших объемных пропусков пара. Даже в ТПД, рассчитанных на очень большие массовые расходы пара, высоты последних лопаток, обычно, умеренные. Расходы пара, которые могут быть пропущены через однопоточную турбину, при ее работе с противодавлением, очень велики.

Для больших ТПД целесообразно повышение быстроходности, чтобы не увеличивать высоту лопаток при малых объемных пропусках пара.

Чем больше для всей турбины отношение давлений , где – давление свежего пара, – давление в выходном патрубке, тем сильнее сказывается потеря пара от его дросселирования в регулирующем клапане при недогрузке турбины. Поскольку в ТПД, по сравнению с конденсаторными турбинами отношение велико, дроссельное парораспределение в таких турбинах применять не рекомендуется. Чем выше , тем большее число клапанов следовало бы иметь в системах соплового парораспределения ТПД.

Однако применение соплового парораспределения само по себе еще не оправдывает характер изменения экономичности при нагрузках турбины. К.п.д. ТПД при ее недогрузках сохраняется тем устойчивее, чем больший расчетный теплоперепад принят для регулирующей ступени. При этом желательно чтоб турбина представляла как ступень скорости, когда при одной сопловой решетке преобразование кинетической энергии производится в нескольких рабочих решетках. В этом случае при идеальном сопловом парораспределении можно считать, что тепловой перепад ступени сохраняется постоянным при всех нагрузках, а следовательно, сохраняется постоянным отношение скоростей

 

( – окружная скорость рабочей решетки) ,

 

где – угловая скорость рабочих лопаток;

– диаметр ступени;

– фиктивная скорость.

Если располагаемый теплоперепад ступени представлен как , то есть кинетическая энергия.

Выполнение ТПД в виде одной ступени нашло применение для турбин с небольшими теплоперепадами и пропуском пара, работающих при переменной в больших пределах нагрузки. Для турбин значительной мощности такая конструкция не может быть допущена в виду недостаточной ступени скорости. Поэтому наиболее распространенной для ТПД является конструкция, состоящая из регулирующей ступени и последующих нерегулируемых ступеней.

Таким образом, наилучшим вариантом ТПД является многоступенчатая конструкция, состоящая из регулируемой и нерегулируемой ступеней при использовании регуляторов, как по давлению выходного пара, идущего к потребителю, так и по частоте, в зависимости от нагрузки теплового потребителя.

Лекция №10