Ступени скорости и ступени давления

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 10Следующая ⇒

Для создания эффективно и надежно работающих ступеней снижают частоту вращения и уменьшают диаметры рабочих колес, а, следовательно, и окружные скорости применением ступеней скорости и ступеней давления.

Выше отмечалось, что условием высокого КПД ступени является ее выполнение с оптимальным отношением скоростей u/с = 0, 5. Условия прочности вращающегося ротора ограничивают окружную скорость величиной u = 180 – 200 м/сек. Тогда скорость должна быть равна с = 200/0, 5 = 400 м/сек. Максимальный теплоперепад, который возможно сработать в одной ступени, составит Н₀ = с²/2 = 80 кдж/кг. Это значение существенно меньше располагаемого теплоперепада всей турбины. Для использования всего располагаемого теплоперепада применяют многоступенчатую конструкцию турбины.

При применении ступеней скорости пар, вышедший с большой выходной скоростью из первой ступени, совершает работу на следующей ступени. В этом случае турбина кроме неподвижного сопла имеет еще неподвижные направляющие лопатки, которые изменяют направление потока пара без существенного изменения его скорости, т. е. поток пара с выходной скоростью после первой ступени лопатками направляется в следующую ступень, после которой пар выйдет со значительно меньшей скоростью.

Ступени скорости (регулирующие ступени) используются при применении соплового парораспределения. Регулирующая ступень обычно выполняется увеличенного диаметра. Это позволяет увеличить окружную скорость и сработать в ступени больший теплоперепад, что уменьшает число ступеней следующих за ней.

Мощные турбины атомных станций выполняют с дроссельным парораспределением, поэтому их проточная часть состоит только из ступеней давления.

После ступени скорости применяют ступени давления, которые представляют собой ряд одноступенчатых турбин, включенных последовательно друг за другом.

Пар расширяется последовательно в каждой ступени. Таким образом, в каждой ступени используется только часть всего теплового перепада и скорость на входе в ступень будет соответственно меньше чем, в одноступенчатой турбине, рассчитанной на весь тепловой перепад. Следовательно, можно значительно снизить частоту вращения, сохраняя наивыгоднейшие условия работы ступени.

Турбины со ступенями скорости выполняют обычно только активными, а турбины со ступенями давления как активными, так и реактивными. Следует отметить, что по чисто реактивному принципу турбины никогда не работают. Обычно турбины работают по смешанному активно-реактивному принципу: пар расширяется и в сопле и на рабочих лопатках. Степень реактивности ступени минимальна на первых ступенях и увеличивается с ростом высоты лопаток.

Увеличение степени реактивности ступени означает то, что пар расширяется не только в сопловой, но частично и в рабочей решетке. При этом возникает некоторый перепад давления пара на рабочей решетке, что приводит к росту осевого усилия и потерь пара через внутренние зазоры ступени. Степень реактивности определяется отношением теплоперепада срабатываемого на рабочей решетке к теплоперепаду ступени.

Потери в паровой турбине

Во время работы пара в турбине возникает целый ряд потерь, существенно снижающих ее коэффициент полезного действия. В соплах потери возникают в основном от трения частиц пара о стенки сопла, в результате чего действительная скорость истечения пара из сопла оказывается меньше теоретической.

На рабочих лопатках потери возникают от удара о входную кромку лопатки и от трения частиц пара о стенки лопаток, в связи, с чем так же уменьшается скорость пара по сравнению с теоретической.

Уменьшают потери в соплах и на рабочих лопатках путем создания таких профилей сопл и лопаток, которые обеспечивают по возможности безударный вход пара на рабочую лопатку, а так же тщательной шлифовкой и полировкой сопл и лопаток. Если в промежуточных ступенях скорость пара, не полностью использованную на рабочей лопатке, можно использовать в следующем ряду сопл, то за последней ступенью турбины выходная скорость пара будет бесполезно потеряна в конденсаторе или в выходном патрубке (потеря с выходной скоростью).

При вращении турбинных дисков происходит трение между поверхностью диска и окружающим паром. Это трение поглощает некоторую часть кинетической энергии и уменьшает количество механической энергии - это так называемые потери на трение.

При неравномерном подводе пара некоторые лопатки не омываются свежим паром. Но так как они все же вращаются в среде пара, они производят некоторую вентиляционную работу за счет уменьшения энергии, передаваемой на вал (вентиляционные потери).

Рис. 1.5

В активных турбинах из-за разности давлений по сторонам диафрагм всегда существует переток пара через зазор между диафрагмой и валом, который не производит никакой работы. Для снижения количества пара проходящего мимо сопловой решетки, между диафрагмой и валом устанавливают диафрагменное уплотнение. Если диск не имеет разгрузочных отверстий, то весь пар, проходящий через это уплотнение, будет поступать в проточную часть ступени, тормозя основной поток. Если диск выполнен с разгрузочными отверстиями, то весь пар, проходящий через это уплотнение, будет проходить через разгрузочные отверстия. Кроме того, во всех ступенях благодаря разности давлений по сторонам рабочих лопаток существует протечка пара через зазор между рабочими лопатками и корпусом турбины (потери через внутренние зазоры). Кроме того, имеются потери через концевые уплотнения.

При вращении ротору приходится преодолевать силы трения в подшипниках и затрачивать некоторую часть энергии на привод различных механизмов, получающих вращение от вала турбины (механические потери).

Для влажнопаровых турбин имеют существенное значение потери от влажности пара проходящего через ступени.

Капли влаги, особенно крупные, протекают через ступень по своим траекториям, отличным от течения пара. Капли влаги, протекая через сопловую решетку, не успевают разогнаться до скорости пара, приобретают скорость меньшую, чем скорость пара и в результате входят в рабочую решетку со скоростью направленной навстречу окружной скорости движения диска, что вызывает тормозящий эффект.

Отношение мощности турбины к мощности, которую бы она развивала при отсутствии потерь, называется ее относительным, лопаточным КПД (h _0.л.). Он представляет собой отношение работы ступени Н_U к ее располагаемому теплоперепаду Н₀. Этот показатель характеризует совершенство проточной части турбины или ее отдельных цилиндров (отсеков), входных и регулирующих устройств. Для современных турбин КПД составляет около 80 – 90 % и зависит от объемных расходов пара, отношению давления на входе к давлению на выходе, влажности пара и других причин.

3.1.7 Контрольные вопросы

1. Из каких элементов состоит ступень турбины?

2. Как кинетическая энергия потока пара преобразуется в механический крутящий момент ротора турбины?

3. Чем отличаются ступени активного и реактивного типов?

4. Что такое степень реакции?

5. Какая из ступеней активная или реактивная срабатывает больший теплоперепад при одинаковом диаметре, частоте вращения и оптимальном выполнении?

6. В какой ступени активной или реактивной потери на утечки будут больше?

7. Какая основная характеристика турбинной ступени определяет ее экономичность?

8. Каковы преимущества турбины многоступенчатой конструкции?

9. Какие потери учитывает относительный лопаточный КПД турбины?

Элементы тепловой схемы

Отборы турбин

Многоступенчатые турбоустановки выполняют с отборами пара из проточной части. Отборы предназначены как для использования пара требуемых параметров в схемах собственных нужд (привод ТПН, ТФУ и др.), так и для регенеративного подогрева питательной воды.

Рис. 2.1а

Регенеративный подогрев позволяет повысить тепловую экономичность энергоблока, увеличивая термический КПД цикла. Это связано с тем, что при использовании регенеративного подогрева уменьшается расход пара в конденсатор, и сокращаются неизбежные потери тепла в окружающую среду. Для того, что бы приблизить цикл Ренкина (abcde), по которому работает энергетическая установка, к циклу Карно (abcdfg), КПД которого максимален, требуется в процессе расширения пара в турбине непрерывно отводить от него тепло и передавать его питательной воде для подогрева при бесконечно малой разности температур между паром и водой. Такой цикл называется предельным регенеративным циклом (abcdfg). Практически этот цикл осуществить невозможно. На практике систему регенеративных отборов турбины выполняют исходя из технико-экономической целесообразности. Если количество отборов будет ограниченным, например восемь, то процесс расширения пара в турбине (линия dfg) будет носить ступенчатый характер. Чем больше количество ступеней подогрева, тем цикл Ренкина ближе к обобщенному циклу Карно и тем больше его КПД. Турбины большой мощности имеют, как правило, 6 - 8 не регулируемых регенеративных отборов.

Применение регенеративных отборов снижает расход пара на последние ступени турбины. При этом снижается нагрузка рабочих лопаток последней ступени и появляется возможность увеличения максимальной мощности выхлопа и увеличения единичной мощности турбины.

Кроме того, в конструкциях влажнопаровых турбин АЭС отборы используются для удаления влаги из проточной части, увеличивая внутренний относительный КПД проточной части турбины.

Для турбины К-1000-60/3000 расчетный расход свежего пара составляет D₀ = 5870 т/час, расход пара в конденсатор, при включенной системе регенерации, составляет D_к = 3074 т/час.

Конденсационные установки

Замкнутость пароводяного цикла электростанций предопределяет необходимость конденсации всего расхода пара, проработавшего в турбине. Этот процесс осуществляется в конденсационной установке при постоянном давлении за счет подогрева охлаждающей воды, температура которой ниже температуры насыщения пара.

Рис. 2.1б

Процесс конденсации происходит вследствие отдачи охлаждающей среде теплоты конденсации пара, равной теплоте парообразования. Процесс конденсации может идти при любом давлении. Однако, чем меньше температура отвода тепла из цикла, что соответствует более низкому давлению конденсации, тем выше тепловая экономичность паротурбинной установки при неизменных начальных параметрах. Характеристики водяного пара таковы, что, добиваясь расширения пара в турбине до давлений, меньших атмосферного, можно увеличить срабатываемый теплоперепад в турбине на 25 - 30 % в зависимости от начальных параметров пара. Поэтому основной задачей конденсационной установки является установление и поддержание разрежения в выхлопном патрубке турбины, а тем самым и внутри конденсатора.

Величина вакуума в конденсаторе существенно влияет на тепловую экономичность станции. Приближенная численная зависимость термического КПД паротурбинной установки от конечного давления пара такова, что изменение вакуума на 0, 01 кг/см² приводит к изменению экономичности более чем на 1 %. Конденсация пара в конденсаторе происходит за счет нагрева циркуляционной охлаждающей воды от начальной температуры t_ох1 до конечной t_ох2, поэтому температура конденсации должна превышать t_ох2 и может лишь приближаться к ней. Температурный напор конденсатора Dt принимается равным 3-5°С, нагрев воды q_ох ~ 10°С.

Глубина вакуума в наибольшей степени зависит от начальной температуры охлаждающей воды. Но при одной и той же начальной температуре существенно зависит от кратности охлаждения, которая равна отношению расхода воды к расходу пара в конденсатор. При прочих равных условиях вакуум зависит от величины коэффициента теплопередачи охлаждающей поверхности конденсатора, который определяется как чистотой поверхности охлаждения, так и величиной присосов воздуха.

При эксплуатации конденсационной установки необходимо контролировать величину нагрева охлаждающей воды и температурный напор конденсатора. Увеличение температурного напора (разности температур отработанного пара и охлаждающей воды на выходе) свидетельствует о снижении коэффициента теплопередачи, а увеличение нагрева воды в конденсаторе указывает на недостаток расхода охлаждающей воды.

В связи с поступлением в конденсатор неконденсирующихся газов давление в нем равно сумме парциальных давлений водяного пара и всех остальных газов, а конденсация водяного пара будет происходить при его парциальном давлении, отвечающем температуре насыщения, зависящей от температуры охлаждающей воды. Таким образом, давление в конденсаторе тем значительнее отличается от парциального давления водяного пара, чем больше газосодержание. Поэтому от степени удаления неконденсирующихся газов зависит степень расширения пара в турбине, т. е. тепловая экономичность. В связи с этим, при увеличении газосодержания растет разность температур отработанного пара и конденсата (эффект переохлаждения). То есть температура конденсата будет определяться температурой охлаждающей воды (оставаться постоянной), а температура отработанного пара в выхлопном патрубке турбины будет повышаться по мере роста газосодержания из-за снижения глубины вакуума.

С углублением вакуума объем отработанного пара резко возрастает. Изменение давления в конденсаторе с 0, 004 до 0, 003 кг/см² приводит к увеличению удельного объема пара более чем на 30 %.

4.3 Контрольные вопросы

1. Какие функции выполняют регенеративные отборы?

2. Как влияет применение регенеративных отборов на экономичность энергоблока?

3. Назовите основные функции конденсатора.

4. Чем вредны присосы воздуха в конденсатор?

5. Как влияет величина вакуума в конденсаторе на экономичность турбоустановки?

6. Что такое переохлаждение конденсата и чем оно вредно?

7. От чего зависит величина вакуума в конденсаторе?

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒