Глава 5. Турбины для комбинированной выработки теплоты и электрической энергии

Турбины, в которых осуществляется выработка электрической энергии на базе теплового потребления, называются

теплофикационными. Различают:

1. турбины с противодавлением;

2. конденсационные турбины с промежуточным регулируемым

отбором пара;

3. турбины с противодавлением и регулируемым отбором пара;

4. конденсационные турбины с двумя регулируемыми отборами пара.

5.1. Турбина с противодавлением

На рис. 5.1 изображена принципиальная схема установки турбины с противодавлением (тип Р).

Рис: 5.1. Принципиальная схема установки с турбиной с противодавлением и конденсационной турбиной:

] - турбина с противодавлением; 2 - конденсационная турбина; РОУ - редукционно-охладительная установка; ТП - тепловой потребитель

Свежий пар с параметрами Р₀ и t₀ подводится к турбине. В турбине 1 происходит расширение пара до конечного давления Pjj, после чего он направляется к тепловому потребителю. Давление Pjj поддерживается постоянным, его значение определяется тепловым потребителем. Для турбин типа Р характерен режим работы по тепловому графику. Таким образом, мощность, развиваемая турбиной, не является произвольной, а определяется пропуском пара, идущим, к тепловому потребителю.

Поскольку КПД Т]_оэ при постоянных начальных и конечных параметрах пара зависит от объемного пропуска пара через турбину, а располагаемый теплоперепад Н₀ не меняется, то мощность турбины с противодавлением однозначно определяется расходом пара Gn'-

N₃ Gji Н₀ т]_оэ

-© ~©

т

(5.1)

Графики потребления тепловой и электрической энергии, как правило, не совпадают и турбина с противодавлением не может полностью обеспечить потребителей электрической энергией. Поэтому в энергосистемах турбины с противодавлением устанавливаются параллельно с конденсационными турбинами 2. В часы максимальных тепловых нагрузок в линию теплового потребителя добавляется редуцированный пар, если расход пара,

требуемый потребителем, превышает максимальную пропускную способность турбины.

Давление пара, идущего к тепловому потребителю, требуется поддерживать постоянным (Pjj⁼ const).

В случае если нарушается равенство между расходом пара G, поступающим в паровую турбину и количеством пара Gn, отбираемым на тепловое потребление, то это приводит к изменению давления за турбиной Pjj.

За промежуток времени dt в паропроводе скапливается количество .пара (G — Gjj)dt, что вызовет изменение плотности находящегося в паропроводе емкостью V на dp.

Баланс расходов запишется: (G— G_n)dt = Vdp или G—G_n —

= Vdp/dt.

Применяя уравнение состояния р — P/(RT) и считая приближенно, что Т = const, найдем dp/dt — l/(RT)dP/dt. Тогда получим:

G - G_n= V/(RT)dP/dt. (5.2).

Давление отработавшего в турбине пара -будет сохраняться лишь в том случае, когда количество поступающего пара в турбину равно количеству пара, идущему к тепловому потребителю G — Gn- При этом dP/dt — 0, следовательно, Рц = const. Если G > Gn, то

dP/dt > 0, т.е. давление

Рис.5.2. Принципиальная схема регулиро вания турбины с противодавлением:

1-центробежный регулятор скорости; 2-золотник сервомотора; 3-сервомотор с клапаном; 4-регулятор давления

Рп будет расти; наоборот если G < Gn, то dP/dt < 0, т.е. Р_п уменьшается.

Для того чтобы турбина могла автомати­чески поддерживать

расход пара, необходи­мый тепловому потреби телю при Рп = const, устанавливается система регулирования, которая

наряду, с центробежным регулятором скорости имеет регулятор

давления (рис.5.2).

При постоянном числе оборотов П ротора муфта центробежного регулятора находится на неизменном уровне. При работе по тепловому графику синхронизатор регулятора скорости устанавливается на повышенное число оборотов, так что муфта центробежного регулятора не препятствует турбине принять полную нагрузку.

Рассмотрим два случая работы системы регулирования.

1. й случай. Допустим, увеличилась тепловая нагрузка Gn, поэтому давление Р_п уменьшилось. При этом пружина регулятора давления 4 переместит поршень вниз. Рычаг ас будет поворачиваться вокруг точки а. Поршень золотника пойдет вниз, масло будет поступать под поршень сервомотора 3, что вызовет его перемещение вверх и увеличение пропуска пара G через турбину и повышение противодавления до необходимого.

2. й случай. В том случае, если при работе по тепловому графику произойдет отключение турбины от сети, и генератор разгрузится до нуля, частота вращения ротора повысится. В работу вступит центробежный регулятор 1. Муфта центробежного регулятора переместится вверх, воздействуя на рычаг ас. При этом клапан будет закрывать доступ пара в турбину и частота вращения снизится.

Рассмотренная схема регулирования с рычажными связями является простейшей и четко демонстрирует принципы регулирования.

На рис.5.3 показана схема регулирования турбины с противодавлением КТЗ с гидродинамической системой. Главный масляный центробежный насос 1 подает масло к нижней полости цилиндра трансформатора давления 3. Верхняя полость трансформатора давления соединена с полостью всасывающей линии насоса -Золотник 'трансформатора давления при изменениях давления масла перемещается относительно своей буксы и изменяет проходное сечение слива из импульсной линии, присоединенной к напорной линии насоса через дроссельную шайбу (Др). При установившемся режиме работы в импульсной и напорных линиях устанавливаются постоянные давления, при этом золотник трансформатора 3 является неподвижным, так как разность между давлениями нагнетания и всасывания уравновешивается пружиной механизма управления 2. К импульсной линии присоединен отсечной золотник 4, управляющий положением поршня сервомотора 5 и перемещающийся при изменении давления в импульсной линии.

Давление в импульсной линии может изменяться либо трансформатором давления 3, либо регулятором давления 7.

Рис.5.3. Гидродинамическая система регулирования турбин с противодавлением КТЗ

При работе турбины по электрическому графику регулятор давления отключают, а механизм управления 2, воздействуя на золотник трансформатора давления, управляет отсечным золотником 4 и положением регулирующих клапанов.

Например, при уменьшении электрической нагрузки число оборотов турбины растет и давление масла в импульсной линии повышается. Золотник трансформатора давления 3 и отсечной золотник 4 поднимаются вверх. Верхнее окно сервомотора 5 соединяется с нижней камерой отсечного золотника 4, и масло идет в систему маслопроводов на всасывающую линию насоса 1. Регулирующие клапаны закрываются, и снова восстанавливается рабочее число оборотов турбины.

При работе турбины по тепловому графику, наоборот, механизмом управления трансформатора давления устанавливают его золотник в положение, соответствующее частоте вращения холостого хода; при этом положением регулирующих клапанов будет управлять включенный регулятор давления, а частота вращения будет определяться частотой сети.

Например, если вследствие увеличения потребления пара давление в выходном патрубке турбины начинает уменьшаться, то это приводит к падению давления снаружи сильфона 6 регулятора давления 7 и его удлинению. Тогда под действием пружины золотник регулятора опускается, что приводит к снижению давления под отсечным золотником 4, который перемещается вниз, вызывая открытие регулирующих клапанов. Это приводит к увеличению

расхода пара через турбину и восстановлению давления в выходном патрубке. j

Стопорные клапаны удерживаются в открытом положении давлением масла. Поэтому для того чтобы при падении давлений масла в..линиях удержания стопорных клапанов происходило закрытие и регулирующих клапанов, введено реле 8 закрытий регулирующих клапанов. При резком падении давления поД поршнями стопорных клапанов золотник реле закрытия регулирующих клапанов смещается влево, пропуская масло под давлением под отсечной золотник, который и обеспечивает закрытие регулирующих клапанов.

Турбина типа Р работает в области малых объемных расходов пара Gy, поэтому изменение длины лопаток по проточной части оказывается незначительным. По сравнению с конденсационной турбиной в противодавленческой — дроссельное парораспределение не применяется, а используется в основном сопловое регулирование. Это объясняется сравнительно большим значением отношения

Pz/Po, и как следствие большими потерями в дроссельном клапане.

Регулирующая ступень в зависимости от условий работы турбины может выполняться в виде двухвенечной ступени скорости или одновенечной ступени. Если необходимо, получить более высокий КПД турбины на режиме полной мощности, то теплоперепад регулирующей ступени- h_op необходимо принимать . меньше теплоперепада нерегулируемых ступеней h_0H. Однако в этом случае на переменных режимах работы КПД снижается более сильно. Если турбина работает в широком диапазоне нагрузок, причем число часов на малых нагрузках велико, то следует принимать h_op больше, это при заданном Н₀ приведет к уменьшению числа нерегулируемых ci у пепси-. • •

2. ТУРБИНА С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ РЕГУЛИРУЕМЫМ ОТБОРОМ ПАРА

Конденсационные турбины с регулируемым отбором пара типа П или Т могут одновременно удовлетворять внешних потребителей электрической энергией и теплотой, поэтому они получили широкое распространение. В отличие от турбин типа Р у них выработка электрической энергии не зависит от тепловой нагрузки.

Турбина с регулируемым отбором пара состоит из двух частей (рис.5.4): части высокого давления (ЧВД) - 1 и части низкого давления (ЧНД) - 2, соединенной с конденсатором 3.

а

б Ро

/ to

р.

п

Рис.5.4. Принципиальная схема турбинной установки с регулируемым отбором пара (а); процесс расширения пара в hs- диаграмме (б) -

Свежий пар подводится к турбине с давлением Р и температурой t через стопорный 8 и регулирующий 7 клапаны. В ЧВД пар расширяется до давления Р_п, которое поддерживается постоянным и определяется тепловым потребителем 9. Пройдя ЧВД, поток пара G₀ разветвляется. Одна часть пара G_n через отсечной 4 и обратный 5 клапаны идет к тепловому потребителю 9, а другая часть пара G_K направляется через регулирующий клапан 6 в ЧНД, где расширяется до давления Р_к в конденсаторе 3. РОУ 10 служит для снабжения паром теплового потребителя 9 в период остановки турбины.

Внутренняя мощность .турбины без учета отборов пара на регенерацию определяется из выражения:

s

(5.3)

КН₀ ‘Voi) ~

к оЧНД 101ЧНД о о liii П о

Из выражения (5.3) расход свежего пара

(5.4)

Согласно полученному выражению, расход пара на турбину с регулируемым отбором зависит от электрической мощности N' и отбора пара G_n на тепловое потребление.

Для турбин с отбором пара характерным является многообразие возможных режимов работы. В зависимости от тепловой нагрузки принято различать две группы режимов: конденсационный и

теплофикационный.

Режим работы турбины, при котором расход пара G_n = О, называется конденсационным.

Теплофикационный режим характеризуется наличием тепловой нагрузки. В зависимости от ее характера турбины могут иметь режим работы по тепловому или электрическому графику. При работе турбины по тепловому графику электрическая мощность определяется тепловой нагрузкой и не может быть изменена без соответствующего изменения теплового потребления. На таких режимах регулирующие органы ЧНД находятся в неподвижном положении, а изменение тепловой и электрической нагрузки обеспечивается регулирующими клапанами ЧВД.

Для турбин, работающих по электрическому графику, клапаны ЧНД имеют произвольную степень открытия. При этом характерно наличие тепловой нагрузки, которая ограничивает возможность снижения электрической мощности ниже некоторого минимального значения, определяемого регулируемым отбором пара.

Многообразие режимов работы турбины определяет применение соплового парораспределения. .

Для предотвращения аварийных ситуаций на паропроводе, связанном с камерой отбора, устанавливается предохранительный клапан 11. ...

Регулирование мощности N₃ и давления Р _п может

производитьсяпри помощи:

• связанной системы регулирования;

• несвязанной системы регулирования.

Принципиальная схема связанного регулирования приведена на рис.5.5.

В такой системе центробежный регулятор скорости 1 и регулятор давления 4 связаны общим рычагом ас, который соединен с золотниками 2 сервоматоров 3, управляющих регулирующими клапанами ЧВД (КЛ-1) и ЧНД (КЛ-2).

Рассмотрим два случая:

а) при изменении давления Р_п регулятор давления поворачивает рычаг ас вокруг точки в и вызывает противоположное перемещение поршней золотников, а следовательно, и сервомоторов, управляющих клапанами. Если потребность в паре, идущем на тепловое потребление G_n, уменьшается, то давление Р_п возрастет. Это вызовет перемещение поршня регулятора давления 4 вверх. Рычаг ас повернется при этом в точке в. Поршень золотника 2 ЧВД пойдет

турбины с отбором пара

вверх. Масло будет поступать в полость над поршнем сервомотора 3 ЧВД. Поршень пойдет вниз, уменьшая доступ пара в ЧВД. Поршень

золотника сервомотора ЧНД при этом будет перемещаться вниз, вызывая движение поршня сервомотора ЧНД вверх. Регулирующий клапан ЧНД будет открываться, увеличивая пропуск пара в ЧНД. Перемещение клапанов, вызванное регулятором давления, не должно изменять суммарную электрическую мощность турбины;

б) при уменьшении электрической нагрузки частота вращения ротора турбины возрастет, что вызовет перемещение вверх муфты центробежного регулятора. Центробежный регулятор при смещении муфты поворачивает рычаг ас вокруг точки с. Поршни обоих золотников пойдут вверх и при этом клапаны ЧВД и ЧНД будут уменьшать доступ пара в ЧВД и ЧНД турбины. Количество пара G_п, отбираемого на тепловое потребление, не меняется.

При несвязанной системе регулирования центробежный регулятор скорости управляет только клапаном свежего пара, а регулятор давления управляет клапаном ЧНД. В такой системе нарушается равновесие между мощностью развиваемой турбиной и мощностью, поглощаемой электрическим генератором. Это приводит к нарушению равновесия между расходом пара, отдаваемым турбиной, и расходом пара, необходимым тепловому потребителю. В настоящее время несвязанная система регулирования практически не применяется.

2. ТУРБИНА С ПРОТИВОДАВЛЕНИЕМ И РЕГУЛИРУЕМЫМ ОТБОРОМ ПАРА

Турбины с противодавлением и регулируемым отбором пара типа ПР устанавливаются на ТЭЦ в тех случаях, когда необходимо обеспечивать одновременно потребителей паром двух различных давлений, например, для промышленных и отопительных целей.

Принципиальная схема установки с турбиной типа ПР показана на рис.5.6.

Ро

Рис.5.6. Принципиальная схема турбоустановки типа ПР (а); процесс расширения пара в hs - диаграмме (б)

Свежий пар с параметрами Р_а, t₀ в количестве G₀ поступает в ЧВД 1, где расширяется до давления Р_п, необходимого для производственного теплового потребителя 9. После ЧВД часть пара G_n направляется к тепловому потребителю 9, а оставшийся пар в количестве G_T через регулирующий клапан 6 проходит в ЧНД 2, где расширяется до давления Л-. которое определяется потребителем теплоты низкого потенциала 12. ;

Поскольку турбина типа ПР может быть использована эффективно только при работе по тепловым графикам обоик потребителей теплоты, то параллельно включают конденсационную турбину 13, которая воспринимает колебания электрической нагрузки. Остальные обозначения на рис.5.6 соответствуют тем же на рис.5.4. Внутренняя мощность турбины определяется нагрузкой тепловых потребителей и составляет: ,

К /(j]_M • т]_э) G₀ ■ Н_оЧВД • tj_ЫЧВд +

(5.5)

+ G_r ■ Н_оЧНд ■ tj_о1ЧНд — G_T ■ Н₀ ■ 7j_oi + G_n ■ Н_оЧВд •Лы_Чвд•

Недостатком этих паровых турбин является снижение выработки электрической энергии при сокращении теплового потребления.

Для автоматического поддержания требуемых обоими тепловыми потребителями давлений и расходов пара турбина снабжается системой регулирования, принципиальная схема которой изображена на рис.5.7.

Рис.5.7. Принципиальная схема регулирования турбины с отбором и противодавлением

Регулятор давления 4 находится под воздействием давления отработавшего пара Рт и через рычаг ав связан с золотниками 2 сервомоторов 3 ЧВД и ЧНД.

При снижении теплопотребления G_T давление Р_т будет повышаться, поршень регулятора давления 4 пойдет вверх, что вызовет перемещение поршней золотников 2 вверх, а поршней сервомоторов 3 вниз. При этом регулирующие клапаны ЧВД и ЧНД будут закрываться. Регулятор давления 5 отбираемого из промежуточной ступени пара G_n воздействует только на

регулирующие клапаны ЧВД. При увеличении теплопотребления Gn и обусловленного этим понижение давления Рп, регулятор давления 5 увеличит открытие регулирующих клапанов ЧВД и восстановит равновесие между количеством пара, расходуемым тепловым

потребителем, и количеством пара, отводимым из промежуточной ступени турбины. Регулирующие клапаны ЧНД останутся в неизменном положении.

При внезапном отключении электрического генератора от сети частота вращения ротора возрастет, что вызовет перемещение вверх муфты центробежного регулятора 1 и поворот рычага ав вокруг точки в. Это вызовет закрытие регулирующих клапанов ЧВД и ЧНД турбины.

2. ТУРБИНА С ДВУМЯ РЕГУЛИРУЕМЫМИ ОТБОРАМИ ПАРА

Турбины типа ПТ имеют существенное преимущество по сравнению с турбинами типа ПР. Они позволяют вырабатывать необходимое количество электрической энергии в сравнительно широком диапазоне изменения тепловых нагрузок производственного и теплофикационного потребителей.

Турбина такого типа делится на три самостоятельные части (рис.5.8).; группа ступеней, расположенных до производственного отбора - ЧВД 1; группа ступеней между отборами - ЧСД 13 и группа ступеней от теплофикационного отбора до конденсатора - ЧНД 2.

Свежий пар в количестве G₀ с параметрами Р, t₀ расширяется в ЧВД 1 до давления Р_п, при котором часть пара отбирается для производственного теплового потребителя 9. Далее пар в количестве G = G₀-G_n проходит-через регулирующие клапаны 14 в ЧСД 13, где расширяется до давления Р_т, при котором осуществляется теплофикационный отбор G_T для потребителя теплоты 12. Оставшаяся часть пара в количестве G_K — G₀ — G_д — G_T поступает в.ЧНД 2 и расширяется там до давления в конденсаторе Р_к.

Остальные обозначения на рис. 5.8 аналогичны рис. 5.6. Внутренняя мощность, развиваемая турбиной:

N.=N, Kn -n) = N +N +N

^lyi 'h> 1ЧВД \ЧСД \ЧНД

(5.6)

G_u ‘ Н_ичВд• Л₀!чвд (G_a G_n) ■ Н_оЧСд ■ tj_ЫЧСд +

⁺ (G_u-G„-G_t)-Н_иЧНД • Г]_ычнд = G_u-H_u■ rj_ui -

- G_n ■ (Н_оЧСд ' Л₀1ЧСД ^ НоЧНД ' Рычнд) ~ G'r ‘ Н_оЧщ

Из выражения (5.6) расход пара на турбину

и

Рис.5.8. Принципиальная схема турбоустановки типа ПТ (а); процесс расширения пара в hs — диаграмме (б)

Рис.5.9. Принципиальная схема регулирования турбины с двумя отборами пара

Для автоматического управления турбина с двумя регулируемыми отборами имеет три группы регулирующих клапанов соответственно перед каждой частью турбины (рис.5.9).

Привод золотников 2 сервомоторов 3 осуществляется при помощи рычажной передачи центробежным регулятором 1 и регуляторами давления 4 и 5.

При повышении частоты вращения ротора подъем муфты центробежного регулятора вызовет подъем вбех трех золотников и соответствующее закрытие тремя сервомоторами регулирующих клапанов ЧВД, ЧСД и ЧНД турбины.

Повышение давления в камере производственного отбора Рп вызовет подъем поршня регулятора давления 5, что посредством рычагов приведет к подъему поршня золотника ЧВД и перемещению вниз поршней золотников ЧСД и ЧНД. В результате регулирующий клапан ЧВД будет закрываться, а регулирующие клапаны ЧСД и ЧНД открываться.

Повышение давления в камере теплофикационного отбора Рт вызовет перемещение вверх поршня регулятора давления 4. Поршни золотников сервомоторов ЧВД и ЧСД также пойдут вверх, вызывая закрытие соответствующих регулирующих клапанов. Поршень золотника ЧНД пойдет вниз, вызывая открытие регулирующих клапанов ЧНД.

Плечи рычагов должны быть подобраны так, чтобы изменение мощности турбины и вызванное перестановкой муфты; центробежного регулятора изменение открытия клапанов не приводило к нарушению количества отбираемого пара на производственные и теплофикационные нужды. Наоборот, изменение одного из отборов пара не должно вызывать нарушений в развиваемой турбиной электрической мощности и в количестве пара, отбираемого во второй отбор.