2.4. Энергетические характеристики турбин

Энергетической характеристикой турбоагрегата называется зависимость расхода тепла на турбину от электрической нагрузки генератора и тепловой Нагрузки регулируемых отборов пара.

Энергетическая характеристика (ЭХ) конденсационных тур­бин представляет функцию вида , которая в зависимости от особенностей системы парораспределения турбины изобра­жается в виде выпуклой кривой или сочетания таких кривых.

Использование в практических расчетах действительных криволинейных энергетических характеристик затруднительно. Так как выпуклость криволинейных характеристик небольшая, их спрямляют и заменяют одним или несколькими участками прямой линий (рис. 2.14). Прямолинейная характеристика отсекает на оси ординат отрезок, характеризующий величину расхода тепла турбиной при нулевой нагрузке и называемый расходом холостого хода Q_x.x.

Аналитическим выражением прямолинейной характеристики является уравнение

где — относительный прирост тепла, или при наличии двух участков ЭХ с разным значением относительного прироста тепла r' и r"

где Nэк — экономическая мощность турбины, при которой происходит открытие обводного клапана.

Так как удельный расход тепла конденсационной турбины

то характеристика удельных расхо­дов тепла является гиперболой с асимптотой, равной r (см. рис. 2.14). С ростом нагрузки влияние Q_х.х на величину удельного расхода тепла снижается и значение q уменьша­ется.

Рис. 2.14. Спрямленная энерге­тическая характеристика кон­денсационной турбины.

В табл. 2.1 приведены уравнения ЭХ некоторых конденсационных турбин.

Значительно большие трудности представляет построение энергетиче­ских характеристик теплофикационных турбин с регулируемыми отборами пара. Расход тепла на такие турбины зависит не толь­ко от электрической нагрузки генератора, но и от величины и параметров регулируемых отборов.

Расход пара на турбину с отборами и конденсацией пара нельзя представить на плоскости в виде какой-то прямой или кри­вой. Поэтому для таких турбин применяются диаграммы режи­мов, представляющие семейства линий, построенные в одном или

Таблица 2.1

Тип турбоагрегата	Уравнение энергетической характеристики
	Q0 (Гкал/ч), N (МВт)	N (МВт), Q0 (МВт)
К-100-60 К-200-130 К-300-240	Q0=15+2,10N Q0=26+1,87N Q0=43+1,69N	Q0=17,45+2,443N Q0=30,3+2,175N Q0=50+1,967N

нескольких квадрантах и отображающие зависимость между рас­ходом свежего пара и электрической нагрузкой при заданных постоянных величинах регулируемых отборов. Диаграммы режи­мов строятся при фиксированных (расчетных) значениях пара­метров свежего пара, давления в регулируемых отборах и в кон­денсаторе. Поэтому к ним прикладываются поправочные кривые, учитывающие возможное изменение этих величин.

Методика построения и примеры диаграмм, режимов для раз­личных теплофикационных турбин приведены в работах [7, 83, 84]. Они нашли широкое применение при расчете переменных режимов теплофикационных турбин.

Ввиду трудности получения аналитических выражений для действительных энергетических характеристик теплофикационных турбин с учетом всех определяющих факторов до настоящего вре­мени в практике широко используются спрямленные характери­стики. В общем случае энергетическая характеристика турбоагре­гата с двумя регулируемыми отборами пара — производственным и отопительным — может быть представлена в следующем виде:

(2.13)

(2.14)

где r_к, r_т— соответственно частичный расход тепла для конден­сационного и теплофикационного потоков пара; — суммарная тепловая нагрузка производственного и отопительного отборов; Wв. W_в^оТ — внутренняя удельная выработка электроэнер­гии на тепловом потреблении для производственного и отопитель­ного отборов; — условная мощность холостого хода; N, N_т — общая мощность электрического генератора и мощность, разви­ваемая на тепловом потреблении.

Уравнения энергетических характеристик турбоагрегатов с од­ним отопительным отбором (типа Т) или с противодавлением пред­ставляют частный случай выражений (2.13) и (2.14):

где — отпуск тепла из противодавления турбины внешнему тепловому потребителю.

Теоретические основы расчета энергетических характеристик вида (2.13), (2.14) разработаны в работе [74]. Как видно, из общего расхода тепла на турбину выделяется расход тепла на холостой ход, на отпуск тепла внешнему потребителю и на выработку электрической энергии. Причем третий член уравнения (2.13) учитывает экономию тепла, достигаемую за счет выра­ботки части электрической энергии на базе теплового потреб­ления.

Энергетические характеристики вида (2.13), (2.14) удобны для пользования, однако отличаются сравнительно невысокой точ­ностью. Погрешность их может достигать 6% и обусловлена прежде всего значительной нелинейностью действительных харак­теристик, особенно при нагрузках меньше 40% номинальной, и от­сутствием непосредственной зависимости мощности от давле­ния в отборах, так как она рассчитывается или при номинальном давлении в отборах, или при некотором среднегодовом значении его. Для турбин типа ПТ определенную погрешность вносит также отсутствие связи между и соотношением нагрузок производ­ственного и отопительного отборов.

Некоторое уточнение линейных энергетических характеристик произведено в работе [78] на основе установления аналитической связи между изменением удельной мощности на базе теплового потребления и давлением в регулируемых отборах, а также кор­рекции условной мощности холостого хода для турбин типа ПТ. При расчете мощности N_т вводится корректирующий коэффи­циент (р_н!р_отб)^п, где р_н, р_отб — соответственно номинальные и текущие значения давления в регулируемом отборе. Для двухсту­пенчатых отопительных отборов, для которых номинальное значе­ние давления не фиксируется, в качестве расчетного принималось давление 0,098 МПа. Коррекция величины условной мощности холостого хода производится по уравнению

где — соответственно условные составляющие мощности холостого хода при работе турбины с одним производственным или отопительным отбором; — соответственно текущая и, максимально возможная тепловые нагрузки отопительного отбора.

В отличие от характеристик, приведенных в работе [74], и по аналогии с характеристиками УТМЗ [7] конденсационная мощ­ность, вентиляционного пропуска пара в конденсатор в характе­ристиках [78] включена в состав мощности N_т.

Примеры энергетических характеристик современных тепло­фикационных турбин приведены в табл. 2.2 [78]. В таблице p_т, p_п — соответственно давление в отопительном или производствен­ном (в противодавлении) отборах; N_т.п— мощность питательного турбонасоса; (Q_с.п 32 Гкал/ч (37,2 кДж/с)—допускаемый отбор давлением примерно 0,55 МПа на собственные нужды. Характе­ристики в табл. 2.2 приведены при принятых заводами-изготовителями для построения диаграмм режимов начальных параметрах пара. При изменении их требуется к значениям С2о и N ввести соответствующие поправки.

При нагрузке турбины в диапазоне 50—100% номинальной по­грешности в определении расхода тепла на турбину по приведен­ным характеристикам составляют ±2%; в определении мощности на базе теплового потребления ±3%. Однако при меньших на­грузках погрешность может быть значительно выше.

Энергетические характеристики теплофикационных турбин используются для оптимизации состава оборудования 'и распре­деления нагрузок между агрегатами ТЭЦ, а также для расчета, прогнозирования и анализа технико-экономических показателей. Для успешного решения этих задач требуется увеличение точ­ности аналитических выражений энергетических характеристик.

Широкие возможности для расчета уточненных энергетических характеристик дает использование ЭВМ,- позволяющее .учесть большое количество определяющих факторов. В последние годы разработан ряд методов расчета энергетических характеристик с использованием вычислительных машин.

В разработках [7] энергетические характеристики представ­лены уравнениями вида (2.13) с переменными коэффициентами, аппроксимированными с помощью ЭВМ в данном диапазоне на­грузок в зависимости от давления в отборах по данным диаграмм режимов или испытаний. Универсальные характеристики турбин типа Т (Т-100-130, Т-250-240), достаточно полно учитывающие влияние различных факторов, приведены в работе [66].

Перспективным является построение энергетических характе­ристик методом планирования эксперимента [3], который дает возможность найти математическое выражение ЭХ в виде поли­нома:

(2.15)

где b_i, b_ij, b_ii — оценки коэффициентов данного уравнения регрес­сии, близкие к истинным значениям этих коэффициентов. Коэф­фициенты уравнения (2.15) вычисляются методом регрессивного анализа. Универсальность метода планирования эксперимента состоит в том, что его можно использовать как для проведения тепловых испытаний турбин, так и .для расчета энергетических характеристик по данным диаграмм режимов, таблиц, графиков. По указанным методам получаются удобные для пользования выражения энергетических характеристик. Недостатком их является трудность непосредственного (в ходе расчета ЭХ) учета изменения состояния проточной части турбин в процессе эксплуа­тации.

Метод расчета энергетических характеристик с помощью ЭВМ, позволяющий в процессе расчета учитывать изменение парамет­ров пара и экономичности проточной части, предложен в рабо­те [32]. Метод основан на выделении в турбине теплофикационного и конденсационного циклов и расчете их характеристик W_в и или q_k, исходя из расчетного режима работы ЧВД и ЧСД турбины с последующим учетом действительных условий расши­рения пара на переменных режимах. При этом расход тепла на турбину определяется по формуле

(2.16)

где - внутренний удельный расход тепла для конденсационного потока пара; Q_упл — расход тепла в паре на уплотнения турбины. В уравнении (2.16) отсутствует составляющая холостого хода, так как расчет ведется по внутренним потокам тепла. За­данными считаются суммарная тепловая нагрузка и электрическая мощность турбоустановки N_э. Произведение меха­нического к. п. д. и к. п. д. электрического генератора яв­ляется известной функцией мощности Nэ. Тепло пара уплотнений учитывается по опытным данным.

Ввиду многообразия влияющих факторов уравнение (2.16) ре­шается методом последовательного приближения. Вначале пред­полагается расчетный режим работы ЧВД и ЧСД турбины. При этом, как показывают расчетные исследования, для заданного давления в нижнем отопительном отборе и в конденсаторе харак­теристика q_ik есть практически однозначная функция конденса­ционной мощности турбины:

и уравнение (2.16) приводится к виду

(2.17)

где , N_к — мощность на конденсационном потоке при расчетном и текущем режимах работы ЧНД, причем ;

а, β, т — коэффициенты, зависящие от типа турбины и давления пара в отопительном отборе.

При расчетном режиме работы ЧВД и ЧСД турбины значение Wв однозначно определяется давлением в регулируемом отборе (см. § 2.3). Найдя при этих условиях по уравнению (2.17) расход тепла на турбину Q₀₁, можно оценить в первом приближении рас­ход свежего пара:

Затем при найденном расходе свежего пара G₀ определяются (см. § 2.3) дополнительные необратимые потери в отсеках ЧВД и ЧСД турбины для теплофикационных и конденсационного потоков пара и уточняются значения W_в и q_iк по уравнениям (2.10), (2.11), (2.12). Одновременно при необходимости произво­дится уточнение значений W_в и q_iк на отклонение параметров све­жего пара, как это будет показано в следующем Параграфе. Учет изменения состояния проточной части можно осуществить путем введения в алгоритм расчета энергетической характеристики до­полнительной потери

найденной на основе ускоренных экспресс-испытаний или обыч­ных тепловых испытаний турбины. Здесь i₁,i₂ — энтальпия пара на выходе из данного отсека соответственно при исходном (расчетном) и изменившемся состояниях проточной части; , — располагаемый перепад тепла на отсек и изменение его к. п. д. в процессе эксплуатации. По уточненным значениям характеристик W_В и q_iк определяется действительная - величина расхода тепла на турбину.

Блок-схема расчета по данной методике энергетических харак­теристик турбины ПТ-60-130/13 представлена на рис. 2.15. Отли­чие блок-схемы расчета турбин с двухступенчатым отопительным отбором, например Т-100-130, состоит в том, что дополнительно по заданной тепловой нагрузке турбины Q_Т, расходу сетевой воды G_с.в и температуре обратной сетевой воды ?₀.с находятся распре­деление греющего пара между сетевыми подогревателями и дав­ление в нижней ступени отбора. Для этого совместно решается система двух уравнений — теплового баланса нижнего сетевого подогревателя и уравнения Стодола — Флюгеля для промежуточ­ного отсека (группы ступеней между верхним и нижним отбором):

(2.18)

(2.19)

где t_п1, q₁, — соответственно температура насыщения, тепло конденсации пара в нижнем отборе и температурный напор в нижнем подогревателе (с учетом потерь давления в трубопроводе отбора); G_от1, G_п1, G_к — расход пара в нижний отбор, в ПНД1 и в конденсатор; — расчетная величина расхода пара через промежуточный отсек; р₁, р₂ — давление в нижней и верхней ступенях отопительного отбора (буква «р» означает расчетные значения); G_Р — теплоемкость сетевой воды при постоянном давлении.

Уравнения. (2.18), (2.19) решаются методом подбора величины так чтобы температура насыщения при давлении р₂ из (2.19) t_н2 соответствовала условию

где — температурный напор в верхнем подогревателе.

Сравнение результатов расчета ЭХ турбин ПТ-60-130/13 л Т-100-130 по изложенному методу с данными испытаний показало их хорошую сходимость. Расхождение между расчетными и опыт­ными величинами при всех режимах не превысило ±1,8%, т. е. по­грешность энергетических характеристик находится в возможном интервале погрешности опытных данных. Недостатками описан­ного метода расчета ЭХ являются отсутствие конкретного анали­тического выражения характеристик и трудность применения их для ручных расчетов. Однако с применением ЭВМ они могут быть широко использованы для расчета и анализа технико-экономиче­ских показателей ТЭЦ, оптимизации состава и режимов работы турбин, а также в качестве математической модели для построе­ния диаграмм режимов и других видов энергетических характе­ристик теплофикационных турбоустановок. В настоящее время проводятся дальнейшие исследования оптимальных методов рас­чета ЭХ.

Рис. 2.15 Блок-схема расчета энергетической характеристики турбины ПТ-60-130/13