При номинальных параметрах пара, регулируемых отборов и мощности. Турбины с двумя отопительными отборами пара

Сравнительный анализ трех схем отбора, которые используются в домашних бражных и ректификационных колонах. Рассмотрены характеристики, преимущества и недостатки, а также применимость в различных вариантах дистилляции. Каждому методу соответствует свой тип оборудования.

Чтобы успешно работать с колонной, нужно регулировать флегмовое число. Для этого существует три метода:

• CM (cool managment) – управление расходом воды, подаваемой на охлаждение дефлегматора;
• LM (liquid managment) – управление количеством отбираемой флегмы (отбор по жидкости);
• VM (vapor managment) – управление количеством отбираемого пара (отбор по пару).

Способы управления ректификационной колонной

Прежде чем начать разговор о видах отбора, определимся с терминами.

Дистилляция – процесс испарения жидкости с последующей конденсацией.

Если изначально сырье испарили из перегонного куба, затем сконденсировали его в холодильнике (конденсоре), то чтобы ни происходило посредине этого процесса (проход пара через сухопарник, барботёр или дефлегматор), в конечном итоге всё равно получится дистиллят.

Ректификация – это один из методов дистилляции, который отличают два технологических приема:

Принудительный, строго регулируемый по величине возврат флегмы с помощью специальных устройств – дефлегматоров или конденсоров.

Организован тепломассобмен между флегмой и поднимающимся навстречу паром. Для повышения эффективности тепломассобмена используют насадку или тарельчатые колонны, где происходит переиспарение флегмы. В первом случае процесс носит пленочный характер, во втором – барботажный.

Целью ректификации является получение спирта заданной крепости и его очистка от примесей. Для этого флегмовое число должно всегда быть выше минимального (подробнее на графике).

Качество продукта зависит от величины флегмового числа, но чем оно выше, тем ниже производительность колонны.

Ректификация не позволяет выделить какую-либо смесь из группы, а лишь более-менее полностью удаляет все сгруппированные по близкой летучести примеси. Поэтому если использовать ректификационное оборудование для получения, например, фруктовых дистиллятов, существует риск сгруппировать головную фракцию в трудно разделяемые азеотропы – удалить вместе с ненужными примесями полезные эфиры, отвечающие за аромат.

Если попытать выгнать благородный дистиллят на ректификационном оборудовании, нужно чтобы во время всего отбора флегмовое число не превышало 1,5-2. Иначе баланс примесей будет нарушен.

Виды узлов отбора в колонне

Жидкостный отбор (liquid managment)

LM – регулировка количества отбора по жидкости. Наиболее удобная и легкая в эксплуатации схема, при которой все пары конденсируются, затем одна часть конденсата возвращается в колонну, другая – идет в отбор.

Характеристики. Регулировка флегмового числа осуществляется одним игольчатым краном отбора спирта. Если кран полностью открыт, флегмовое число равно нулю, а на выходе получается обычный дистиллят. При закрытом кране флегмовое число бесконечно большое – колонна работает на себя. Регулировка краном жидкостного отбора позволяет в любой момент изменить флегмовое число от 0 до 100%. Мощность нагрева и охлаждения устанавливают на оптимальном уровне, обеспечивающем максимальную разделительную способность колонны и минимальное охлаждение флегмы.

Колонна с жидкостным отбором

Как правило, флегмовое число задают несколько выше минимального, что при отборе «тела» позволяет сравнительно долго обходится без регулировок, но ближе к концу отбора всё же приходится активно регулировать процесс. При этом чем меньше остается спирта в кубе, тем чаще приходится увеличивать флегмовое число.

Преимущества:

• подходит для получения как ароматных, так и чистых спиртов;
• легко и относительно дешево автоматизируется вплоть до АСУ (автоматизированной системы управления) процессом производства с блоками безопасности;

Недостатки:

• если зафиксировать скорость отбора на одном уровне, то по мере ректификации флегмовое число будет падать. Это противоречит технологической необходимости в постепенном поднятии скорости к концу отбора, что является главным недостатком;
• необходим разрыв струи (связь с атмосферой) после регулировочного крана или клапана, иначе возможны сбои в регулировке скорости отбора за счет разряжения в линии отбора, которое создают стекающие потоки спирта.

Паровой отбор (vapor managment)

VM – регулировка разделением потоков пара до дефлегматора. Управление колонной осуществляется путем изменения количества отбираемого пара с помощью шиберного или обычного шарового крана.

Характеристики. Соотношение площадей поперечного сечения колонны и пароотводящей трубы определяет минимальное флегмовое число, которое можно увеличить, регулируя положение крана.

Колонна с паровым отбором

При перегонке количество возвращаемой флегмы регулируется от 80 до 100%. Минимально возможное флегмовое число равно 4.

Преимущества:

• чувствительность к положению крана весьма мала, что позволяет делать точные регулировки;
• флегмовое число не зависит от изменения температуры или расхода охлаждающей воды в дефлегматоре;
• нет повышенной чувствительности к стабильности давления охлаждающей воды.

Недостатки:

• система управления инерционна, от смены положения крана до изменения скорости отбора может пройти до 10-15 секунд;
• не подходит для получения ароматных спиртов из натурального сырья. Требуются конструктивные изменения, позволяющие регулировать количество возвращаемой флегмы от 50 до 100%;
• колонна с паровым отбором чувствительна к пробкам на линии отбора продукта. Если в силиконовом шланге сформируется столбик продукта, стекая, он создаст разряжение, и как насосом потянет пар на себя, нарушая установленное флегмовое число. Вследствие этого резко и неконтролируемо увеличится скорость отбора, без вмешательства оператора система не вернется на прежний уровень. Остановить неконтролируемый отбор можно установкой связи с атмосферой (создать разрыв струи). Например, воткнуть иглу от шприца в верхнюю часть трубки отбора;
• автоматизация сложна и дорога. Часто выполняется в виде сигнализатора достижения определенных температур, но без исполнительных механизмов. Также желательна автоматика безопасности.

Управление охлаждением (cool managment)

CM – регулировка количества воды, подаваемой в дефлегматор. Позволяет контролировать количество пара, проходящего сквозь дефлегматор на холодильник отбора продукта.

Характеристики. Флегмовое число регулируется от 0 до 100 %, но система очень чувствительна к количеству подаваемой воды и требует прецизионного игольчатого крана. Для регулирования скорости отбора приходится поворачивать кран буквально на доли миллиметра. Мощность нагрева во время всего процесса должна быть постоянной и обеспечивать максимальную разделительную способность колонны. С увеличением количества подаваемой воды увеличивается и количество возвращаемой флегмы, соответственно, возрастает флегмовое число.

Колонна с регулировкой подачи воды в дефлегматор

При ректификации на постоянной мощности охлаждения и нагрева происходит постепенное уменьшение отбора, но флегмовое число остается неизменным.

Преимущество:

• может с успехом использоваться для получения ароматных спиртов из натурального сырья.

Недостатки:

• малейшие колебания напора приводят к изменению скорости отбора и флегмового числа. Если не предпринять мер по стабилизации давления охлаждающей воды в квартире, на процесс отбора будет влиять даже спущенный соседями унитаз;
• повышение температуры воды в дефлегматоре при неизменном ее количестве уменьшает флегмовое число, поэтому для поддержания стабильного флегмового числа нужен контроль за расходом и температурой воды, подаваемой в дефлегматор;
• требуется связь с атмосферой в линии отбора продукта, иначе при случайном отключении нагрева и трубке, погруженной в отбор, весь продукт снова окажется в кубе;
• система дорога и сложна в автоматизации. Обычно на такие ректификационные колонны ставят простейшие термосигнализаторы и автоматику безопасности.

Практика установки разных узлов отбора на колонны

Колонны с жидкостным отбором (LM)

В домашних колоннах отбор по жидкости получил самое широкое распространение. Причина проста – процесс ректификации 40 литров самогона затягивается на 18-20 часов. Можно уменьшить навалку вдвое, но тогда резко вырастает доля оборотного (технического) спирта, который придется перерабатывать при каждой ректификации.

Если говорить о производительности системы как о количестве товарного спирта, полученного за общее время ректификации (включая нагрев), то при уменьшении объема навалки в 2 раза, эффективность снижается примерно в 1,5 раза.

Другой путь минимизации объема получаемого технического спирта при максимальной производительности – автоматизация процесса, позволяющая делать перегонку по заранее заданному алгоритму без участия оператора. Система автоматики обязательно должна иметь не только исполнительный контур, но и блок безопасности, который моментально отключит оборудование при угрозе аварии.

Ректификационная колонна с жидкостным отбором автоматизируется проще и дешевле других систем, а по качеству получаемого спирта ничем не уступает другим типам оборудования.

Колонны с паровым отбором

Системы отбора по пару распространены за рубежом, где спирт и его производные уступают в популярности дистиллятам (коньяку, виски и т. д.), но ценится высокая крепость напитка. Иностранные умельцы конструируют ректификационные колонны с паровым отбором, имеющие минимальное флегмовое число – всего лишь 1, а не 4 как в России. При такой схеме обратно в колонну уходит не менее 50% флегмы.

В режиме дистилляции паровой отбор практически не нуждается в автоматике. Заданное на старте отбора «тела» флегмовое число сохраняется неизменным до конца, изменить его может только оператор, но даже при получении спирта регулировка нужна буквально пару раз.

Скорость же отбора к концу перегонки резко уменьшается вплоть до остановки. Если есть желание поохотиться за энантовыми эфирами (во многом создают органолептические свойства фруктовых дистиллятов) – меняют банки и увеличивают мощность нагрева, дальше следует дробный отбор и сортировка.

Если энантовые эфиры не требуются, делают то же самое, но дополнительно используют паузы для работы колонны на себя, чтобы остатки спирта были более концентрированными и с меньшим количеством примесей.

Автоматика в колоннах с паровым отбором нужна только на уровне блока безопасности. Кроме того, получение дистиллята предусматривает не группирование примесей по фракциям и полное их удаление, а сбалансированное снижение концентраций веществ до приемлемого уровня с обязательным сохранением вкусо-ароматических составляющих. Это дело для мастера-винокура, контролирующего процесс, регулировка по приборам здесь неуместна. Навалка ограничена объемом, который можно перегнать под руководством человека за имеющееся время.

Колонны с регулировкой подачи воды в дефлегматор

Несмотря на все недостатки, этот тип оборудования часто используется в России при строительстве бражных колонн. Причина – возможность получения дистиллятов из любого сырья, а при необходимости без изменения конструкции (дополнительная царга не в счет) можно собирать дистиллят высокой степени очистки – почти как спирт.

Колонны с регулировкой подачи воды в дефлегматор дороги в автоматизации, чувствительны к напору и температуре охлаждающей воды, что делает их слабо пригодными для получения чистого спирта-ректификата, но при малых навалках до 20 литров и неусыпном внимании оператора такие колонны способны на многое.

Кроме того, схема cool managment является лучшей для отбора «голов». При прочих равных условиях получить более концентрированные «головы» на системах отбора по пару и по жидкости невозможно. Правда, это только если справиться со стабилизацией температуры и напора воды в дефлегматоре.

В последние годы делаются попытки создания гибридных ректификационных колонн, в которых «головы» отбирают по пару методом СМ, а «тело» по жидкости (LM). Это повышает и без того высокие показатели качества спирта на колоннах LM. Совершенству нет предела.

При строительстве бражных колонн, сориентированных на ароматные дистилляты, оборудование VM имеет преимущество перед СМ за счет простоты управления, а также нечувствительности к температуре и расходу воды в дефлегматоре – больше предсказуемость в «причесывании» примесей. Для сахарного сырья бражные колонны по схеме СМ перспективней за счет более качественного удаления головной фракции. Но управление ими создает немало проблем.

Современные теплофикационные турбины мощностью 50 МВт и выше имеют два отопительных регулируемых отбора пара для ступенчатого подогрева сетевой воды, осуществляемого в нескольких последовательно распо­ложенных подогревателях. Давление отбираемого пара определяется темпе­ратурой воды на выходе из каждой ступени подогрева. Для подогрева сетевой воды используют 70-80% расхода пара на турбину, а температура подогрева составляет 40- 50 °С.

Принципиальная схема турбоустановки с двумя отопительными отборами (верхним 4 и нижним 5) представлена на рис. 20.2,а. Свежий пар в количестве G о и с параметрами p 0 , t 0 подводится к турбине через стопорный 8 и регулирующий 7 клапаны. В ЧВД 1 пар расширяется до давления в нижнем отопительном отборе 5 и затем через регулирующий орган 6 направляется в ЧНД 2. Остальное оборудование турбоустановки с двумя отопительными отборами пара аналогично турбине с двумя регулируемыми отборами пара (рис. 20.1).

Рис. 20.2. Принципиальная схема (а) и процесс расширения пара (б) в h,S -диаграмме турбинной остановки с двухступенчатым отбором пара.

В верхний отбор 4 пар с расходом G 1 отбирается при давлении р 1 и с энтальпией h 1 (рис. 20.2,б), а в нижний - пар с расходом G 2 при параметрах р 2 и h 2 . Поскольку в турбине имеется только один регулирующий орган ЧНД, то регулируемое давление одновременно может поддерживаться только в одном из двух отопительных отборов пара: в верхнем - при включенных обоих отборах, в нижнем - при включенном нижнем отборе.

Установка для подогрева сетевой воды состоит из двух подогревателей (бойлеров) 9 и 10 поверхностного типа. Требуемая температура сетевой воды, направляемой тепловому потребителю, определяется давлением пара верхнего отбора. Распределение тепловой нагрузки между верхним и нижним отборами определяется температурами сетевой воды до и после сетевых подогревателей, расходом сетевой воды и электрической нагрузкой.

Внутренняя мощность турбины N i , кВт, с двумя отопительными отборами пара определяется из выражения (без учета регенеративных отборов)

N i = N э / η м η эг = N i " + N i " " + N i """ =

= G о Н 0 "η 0i " + (G о – G 1 )Н 0 ""η 0i "" + (G о – G 1 –G 2 )Н 0 """η 0i """ (20.3)

, кВт, составляет

Q т =W с c в (t 2с -t 1с) = G 1 (h 1 -h 1 " ) + G 2 (h 2 -h 2 " ), (20.4)

где G о , G п ,G т - расход пара на турбину, в верхний и нижний отопитель­ный отборы, кг/с; Н 0 " , Н 0 "" , Н 0 """- располагаемые ступеней турбины до верхнего отбора, между отборами и ЧНД, кДж/кг; W с - расход сетевой воды, кг/с; c в =4,19 кДж/(кг·К) - теплоемкость воды; t 2с,t 1с - температура воды на входе и выходе из подогревателей, град; h 1 , h 2 - энтальпия пара в верхнем и нижнем отопительных отборах, кДж/кг; h 1 " , h 2 " - энтальпия конденсата греющего пара в подогревателях 9 и 10, кДж/кг.

Турбины с двухступенчатым отбором пара могут иметь разнообразные теплофикационные режимы работы в зависимости от соотношения тепловой и электрической нагрузки. При режимах работы по тепловому графику при заданной тепловой нагрузке Q т регулирующий орган 6 перед ЧНД закрыт. Мощность турбины определяется тепловой нагрузкой, а расход пара через ЧНД ограничивается значением G к.мин , определяемым условиями надежной работы турбины. При работе турбины по электрическому графику возможно независимое изменение тепловой и электрической нагрузки. Регулирующий орган 6 открыт частично или полностью, что позволяет при постоянной тепловой нагрузке пропустить через турбину дополнительный расход свежего пара, поступающего через ЧНД в конденсатор 3 (рис. 20.2). Этот расход обес­печивает получение дополнительной мощности по сравнению с режимом работы по тепловому графику с той же тепловой нагрузкой. Таким образом, расход пара через ЧНД зависит от заданной электрической нагрузки.

20.3. ПРИМЕНЕНИЕ ВСТРОЕННЫХ ПУЧКОВ В КОНДЕНСАТОРАХ ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ ТУРБИН

В турбинах с регулируемым отбором пара при режимах работы с тепловой нагрузкой не допускается нулевой пропуск пара в конденсатор. Минимальный пропуск , служащий для охлаждения ступеней ЧНД, определяется конструкцией турбины (размерами облопачивания ЧНД, плотностью регулирующих органов ЧНД и т. д.) и режимом ее работы (вакуум, давление в камере отбора).

Теплота пара, поступающего в конденсатор, передается циркуляционной воде и не используется в цикле электростанции. Циркуляционной воде передается также теплота пара, поступающего в теплообменники, находящиеся на линии рециркуляции: сальниковый подогреватель и холодильники эжекторов. Для утилизации этой теплоты, соизмеримой с теплотой максимального пропуска пара в конденсатор, часть поверхности конденсатора выделяется в специальный теплофикационный пучок. В трубки пучка предусмотрен подвод как циркуляционной воды, так и воды тепловых сетей. Поверхность встроенного пучка составляет примерно 15% общей площади по­верхности конденсатора.

Конструкция конденсатора со встроенным пучком, имеющим самостоятельные водяные камеры и общее с основной поверхностью паровое пространство, является типовым решением для теплофикационных турбин мощностью 50 МВт и выше.

Принципиальная схема турбинной установки со встроенным теплофикационным пучком в конденсаторе представлена на рис. 20.3,а. К основному пучку труб конденсатора 8 предусмотрен подвод только циркуляционной воды, а к встроенному пучку 11 - циркуляционной воды и воды тепловых сетей (обратной сетевой или подпиточной). Остальное обору­дование турбоустановки имеет то же назначение и изображение, как и в турбинной установке с двухступенчатым отбором пара (рис. 20.2).

На режиме с конденсационной выработкой электроэнергии в основной и во встроенный пучки поступает только циркуляционная вода. При работе по тепловому графику подвод циркуляционной воды к основному и встроенному пучкам отключается, и встроенный пучок охлаждается сетевой или подпиточной водой. В этом случае регулирующий орган 6 ЧНД (рис. 20.3 ,а) закрыт, и турбина работает в режиме, аналогичном режиму работы турбины с противодавлением.

Рис. 20.3. Принципиальная схема (а) и процесс расширения пара (б) в h,S -диаграмме турбинной установки с двухступенчатым отбором пара и встроенным теплофикационным пучком.

Одновременно исключается возможность независимого задания тепловой и электрических нагрузок, так как электрическая мощность турбины при таком режиме работы определяется значением и параметрами тепловой нагрузки.

Перевод турбины на работу с использованием встроенного пучка вызывает перераспределение давлений и теплоперепадов по ступеням турбины. На рис. 20.3,б изображен тепловой процесс расширения пара в турбине в h,S -диаграмме при работе на конденсационном режиме (штриховые линии) и с включенным теплофикационным пучком (сплошные линии). Для ЧВД турбины режим работы с включенным встроенным пучком связан с увеличением давлений в регулируемых отборах (р 1 >р 1 "; р 2 >р 2 "), что приводит к снижению мощности, вырабатываемой на потоках пара в отборы. В ЧНД турбины вследствие ухудшения вакуума в конденсаторе резко снижается располагаемый теплоперепад (H 02 " > H 02 ), и ее ступени работают с большим отношением скоростей и/с ф и меньшим КПД. В отдельных случаях потери энергии в ЧНД превышают ее располагаемый теплоперепад и ступени ЧНД работают с отрицательным КПД и потребляют мощность (линия 1-2 на рис. 20.3,б). При таких режимах за счет возрастания температуры пара, проходящего через ЧНД, ухудшается температурный режим выхлопного патрубка турбины.

СРС. ДИАГРАММЫ РЕЖИМОВ

В общем случае диаграмма режимов выражает в графической форме зависимость между электрической мощностью турбины N i , расходом пара G о , тепловой нагрузкой потребителя Q п (Q т ), давлением пара, отпускаемо­го потребителю р п (р т) , параметрами свеже­го пара р 0 , t 0 , расходом охлаждающей воды W с и др., определяющими режим работы турбоустановки:

F(N э,G 0 , W с,Q п,Q т, р п, р т...) = 0. (1)

Уравнение (1) графически представля­ется на плоскости в том случае, если число переменных не превышает трех. В противном случае изображение диаграммы режимов на плоскости может быть получено только при замене действительной взаимосвязи переменных приближенными зависимостями, что вно­сит погрешность в диаграмму тем большую, чем больше число переменных уравнения (1). Поэтому целесообразно ограничить число независимых параметров, участвующих в диаграмме режимов. При ограничении числа переменных уравнения (1) учитывается, что влияние отдельных параметров на мощность не одинаково. Для обеспечения конечной высокой точности диаграмму режимов выполняют в виде нескольких самостоятельных графиков . Основной график , обычно называемый диаграммой режимов , выражает зависимость между мощностью турбиныN э и расходом параG 0 . Дополнительные графики , называемые поправочными кривыми к диаграмме режимов , определяют влияние изменения каждого из остальных параметров уравнения (1) на мощность турбины. В состав диаграммы режимов входят также некоторые вспомогательные кривые : зависимость температуры питательной воды от расхода свежего пара, возможного минимального давления в регулируемом отборе от расходов пара и отбора и др.

Основная диаграмма может быть выполнена с высокой точностью, поскольку число переменных ограничено. Поправочные кривые выполняют обычно с некоторой погрешностью. Однако погрешность поправочной кривой незначительно увеличивает общую погрешность диаграммы режимов, так как абсолютная величина самих поправок составляет, как правило, несколько процентов общей мощности турбины.

Наличие диаграммы режимов позволяет графически установить связь между параметрами уравнения (1) и выделить область возможных режимов работы турбоустановки. Наглядность представления, удобство пользования и достаточная точность определили широкое использование диаграммы режимов при проектировании и эксплуатации тепловых электростанций.

СРС 19.1. Диаграмма режимов турбины с противодавлением типа Р. Диаграмма режимов выражает зависимость расхода свежего пара G 0 от электрической мощности N э и противо­давления р п :

G 0 =f(N э, р п). (2)

которая может быть представлена на плоско­сти в соответствии с имеющимися опытными или расчетными данными. Из трех параметров уравнения (2) наименьшее влияние имеет конечное давление пара р п , и поэтому диаграмма режимов турбины с противодавлением выполняется (рис. 19.1СРС ) в виде сетки кривых G 0 =f(N э ) , полученных в результате пересечения трехмерной поверхности, описываемой уравнением (2), плоскостями р п = const .

Рис. 19.1СРС . Диаграмма режимов турбины с противодавлением.

СРС 19.2. Диаграмма режимов турбины с одним регулируемым отбором пара. В общем случае диаграмма режимов выражает зависимость электрической мощности N э от расхода пара на турбинуG 0 , в отборG п и давления пара в отбор р п .

G 0 =f(N э, G п, р п ). (3)

Из этого уравнения можно исключить давление отбора р п , заменив его влияние попра­вочными кривыми, которые могут быть выполнены с относительно малой погрешностью. Тогда зависимость (3) может быть построена на плоскости в виде серии кривых G 0 =f(N э ) при G п = const .

Рассмотрим пример построения диаграммы режимов турбины с отбором пара приближенным методом, основанным на использовании линеаризованной зависимости расхода пара на турбину G 0 от мощности N э и расхода пара в отборG п :

G 0 = G ко + y п G п = G к.х + r к N э + y п G п = G к.х + d н (1- x)N э + y п G п (4)

где G ко = G к.х + r к N э - расход пара на турбину при конденсационном режиме работы без отбора; G к.х - расход пара при холостом хо­де турбины без отбора; r к =( G 0 - G к.х )/ N э - удельный прирост расхода пара при конденсационном режиме, кг/(кВт·ч); y п = (h п -h к) / (h 0 -h к) - отношение использованных теплоперепадов ЧНД и всей турбины (коэффициент недовыработки мощности паром отбора); d н = G ном /N ном - удельный расход пара при номинальной нагрузке и конденсационном режиме работы, кг/(кВт·ч); х= G х.х /G 0 - коэффициент холостого хода.

Основой диаграммы режимов являются граничные линии, построенные для наиболее характерных режимов работы турбины.

Конденсационный режим. Математически зависимость расхода пара от мощности определяется выражением (5) при G п =0:

G 0 = G ко = G к.х + d н (1- x)N э (5)

Графически (рис. 19.2СРС ) построение линии конденсационного режима производится по двум точкам: точке К, ордината которой со­ответствует максимальному пропуску пара в конденсатор при номинальной электрической мощности N ном , и точке О 1 ,определяющей расход пара на турбину G к.х при нулевой мощности (холостом ходе). На оси абсцисс линия конденсационного режима, проходящая через точки К и О 1 , отсекает отрезок О О 2 , условно определяющий потери мощности тур­бины ΔN х.х на преодоление сопротивления хо­лостого хода.

В действительности зависимость G 0 =f(N э ) при конденсационном режиме отличается от прямолинейной и имеет более сложный вид, определяемый системой парораспределения, характером изменения внутреннего относи­тельного КПД, температуры отработавшего в ЧВД пара и т. д.

Режим работы турбины с противодавлением. Изменение расхода пара на турбину определяется выражением (5) при G к =0 и G 0 =G п :

G 0 = G о.п = G п = G к.х + d н (1- x)N э + y п G 0 ,

G 0 = G к.х /(1- y п) + d н (1- x)N э /(1- y п) = G п.х + r п N э (6)

G ко + y п G п = G к.х + r к N э + y п G п = G к.х + d н (1- x)N э + y п G п

где G п.х = G к.х /(1- y п) - расход пара на хо­лостой ход при режиме с противодавлением, кг/с; r п = r к (1- y п) - удельный прирост расхода пара при работе турбины с противодавлением, кг/(кВт·ч).

Так как коэффициент недовыработки y п всегда меньше единицы, расход пара на холо­стой ход и удельный прирост расхода пара при работе турбины с противодавлением выше, чем при конденсационном режиме в (1 /(1- y п)) раз: G п.х > G к.х , r п >r к .

Это объясняется значительно меньшим тепло перепадом в турбине до отбора по сравнению с полным теплоперепадом до конденсатора и соответственно большим удельным расходом пара.

Рис. 19.2СРС . Диаграмма режимов турбины с одним регулируемым отбором пара.

Приближенная зависимость расхода пара от мощности в случае, когда весь пар после ЧВД поступает в отбор, в диаграмме режимов (рис. 19.2СРС ) изображается прямой линией, проходящей через точкуО 2 , характеризующую потерю мощности на холостом ходе, и точку О 3 , в которой G п.х = G 0 . Точка В 0 , лежащая на линии конденсационного режима G к = 0, соответствует режиму работы с максимальным пропуском пара через турбину.

В действительности при работе турбины с противодавлением через конденсатор пропускается незначительный расход пара G к.мин , который определяется условиями надежной работы элементов ЧНД турбины (5-10% рас­хода пара на турбину). В качестве линии режимов работы турбины с противодавлением и минимальным пропуском пара в конденсатор, удовлетворяющей уравнению (5), следует рассматривать прямую К о В , параллельную О 2 В 0 и расположенную ниже нее. Орди­ната точки К о характеризует минимальный пропуск пара в конденсатор G к.мин .

Режим работы с постоянным отбором пара (G п = const ). Характеристики турбины с постоянным отбором пара строят по уравнению (4). Из сравнения выражений (4) и (5) легко установить, что характеристики конденсационного режима и режима работы с постоянным отбором отличаются друг от друга на постоянную величину y п G п . Следовательно, на диаграмме режимов линии, изо­бражающие режим G п = const , будут располагаться параллельно линии конденсационного режима.

Левой границей характеристик турбины при G п = const служит линия работы турбины с противодавлением, на которой G п = G к.мин (при отсутствии нерегулируемых отборов пара), а правой - линия КВ н постоянной номи­нальной мощности турбины N ном . Верхняя часть диаграммы режимов ограничивается отрезком ВВ н на линии максимального пропуска пара через турбину G 0макс = const между линиямиG к.мин = const и N ном = const.

Номинальный отбор пара G п ном отвечает номинальной электрической мощности N ном и максимальному расходу пара на турбину G 0макс (точка В н ). Если максимальный расход пара на турбину достигается при работе с противодавлением при электрической мощности меньше номинальной, то возможен отбор пара больше номинального, так называемый предельный отбор, определяемый в точке В пересечения линий G к.мин = const и G 0макс = const .

Кроме обязательного семейства линий, определяющих зависимость мощности турбины от расхода пара при различных значениях отборов G п = const , диаграмма режимов имеет сетку линий G к = const при постоянных рас­ходах пара в конденсатор (ЧНД). Линии G к = const представляют собой прямые, параллельные характеристике режима работы турбины с противодавлением G к.мин = const . Из этого семейства линий существенное значение имеет линия G к.макс = const , отвечающая максимальному пропуску пара в конденсатор. Обычно от теплофикационной турбины с конденсацией пара требуется полное развитие электрической мощности на чисто конденсационном режиме. В этом случае нижняя линия диаграммы G п = 0 достигает линии N ном = const в точке К при G к =G к.макс . Если же отбор пара устойчивый и обеспеченный на длительный период работы турбоустановки, то нижней границей правой части диаграммы служит линия G к.макс = const , проходящая параллельно линии G к.мин = const выше точки К пересечения линий G п = 0 и N ном . При этом номинальная электрическая мощность достигается при определенном значении отбора.

При одновременном максимальном пропуске пара через ЧВД и ЧНД турбина может развивать максимальную мощность N макс . Эта мощность определяется абсциссой точки В т пересечения линий G 0макс = const и G к.макс = const . Максимальная мощность турбины регламентирована в размере до 20% выше номинальной.

Если принять, что расход пара через ЧНД не должен превышать максимального, то из диаграммы (рис. 19.2СРС ) видно, что при конден­сационном режиме (G п = 0 ) мощность турбины (точка К 1 ) будет меньше максимальной. Такое ограничение мощности турбины с регулируемым отбором пара при работе на конденсационном режиме является неоправданным. Номинальную мощность при конденсационном режиме можно получить за счет уве­личения пропуска пара через ЧНД, что обеспечивается повышением давления пара перед ЧНД. Режимы с расходами пара через ЧНД, превышающими ее пропускную способность при полностью открытых регулирующих органах ЧНД и номинальном давлении пара в регулируемом отборе, в диаграмме режимов выделяются в область «повышенного давления в регулируемом отборе», которая на рис. 19.2СРС заштрихована.

Диаграмма режимов позволяет по двум заданным членам выражения (3) определить третий. Определение расхода отбираемого пара G п N э и расходе пара G 0 происходит следующим образом. По известным N э и G 0 находят точку А , характеризующую заданный режим работы турбины. Через точку А проводят линию постоянного пропуска пара в ЧНД. Ордината точки С пересечения этой линии и линии конденсационного режима G п = 0 определяет расход пара в ЧНД G к . Расход отбираемого пара найдется как разность G п =G 0 -G к .

Расход свежего пара G 0 при известных мощности турбины N э и расходе отбираемого пара G п определяется ординатой точки пере­сечения линий

N э = const и G п = const .

Мощность турбины N э при известных расходах свежего и отбираемого пара G 0 иG п определяется абсциссой точки пересечения линий G 0 = const и

G п = const .

СРС 20.1. Диаграмма режимов турбины с двумя регулируемыми отборами пара. N э , расходом пара на турбину G 0 , расходами пара в верхний (производственный) и нижний (теплофикационный) отборы G п и G т :

G 0 =f(N э, G п, G т). (1)

Влияние остальных параметров уравнения (1) учитывается поправочными кривыми.

При построении диаграммы режимов турбины с двумя регулируемыми отборами пара условно она заменяется фиктивной турбиной с одним верхним отбором пара. Теплофикационный отбор принимается равным нулю, а пар направляется в ЧНД турбины и производит там дополнительную мощность

ΔN т = G т Н i "" η м η эг = kG т (2)

где Н i "" - использованный теплоперепад ЧНД; k -коэффициент пропорциональности.

С учетом (2) выражение (1) можно привести к виду

N э = N э усл - ΔN т = f(G 0 , G п) - G т Н i "" η м η эг (3)

где N э усл = f(G 0 , G п) - мощность, развивае­мая условной турбиной при нулевом теплофикационном отборе.

Диаграмма режимов, отвечающая выражению (3), может быть выполнена на плос­кости в двух квадрантах следующим образом (рис. 6.9). В верхнем квадранте строится зависимость G 0 =f(N э усл, G п ) , которая выражает диаграмму режимов условной турбины при работе с нулевым расходом пара в отопитель­ный отбор. Ее построение выполняется так же, как и для турбины с одним отбором пара (рис. 19.2 СРС ). Нижней границей этой диаграммы служит линия производственного отбора G п = 0 . Сверху диаграмма ограничена линиями максимального расхода пара на турбину G 0макс = const и в производственный отбор G п.макс = const , а также линией G чсд , характеризующей количество пара, входящее в ЧСД.

Рис. 20.1 СРС . Диаграмма режимов турбины с двумя регулируемыми отборами пара.

В нижнем квадранте по (3) строится линия ОК , связывающая нижний отопительный отбор G т с дополнительной мощностью ΔN т , и наносится сетка параллельных ей прямых. Кроме того, здесь же наносятся ограничительные линии G п = const для теплофикационного отбора. Они изображают максимально возможный производственный отбор G п.макс , который определяется из общего парового баланса турбины при условии, чтобы расход пара на выходе из ЧСД не превышал теплофикационного отбора на величину, требуемую для охлаждения ступеней ЧНД:

G т.макс = G 0макс - G п -G кмин .(4)

Построение этих ограничительных линий выполняют следующим образом: из произвольно выбранных точек 1 и 2 для одного и того же значения G п = const проводят вертикально линии вниз. Точки 1" и 2" пересечения этих линий со значениями G т.макс , подсчитанными по формуле (4), соединяют для од­ного значения G п = const прямой, которая является границей возможных режимов. Сни­зу от нее работа турбины недопустимаиз-за G т > G т.макс .

Пользуясь такой диаграммой (рис. 20.1 СРС ), можно для турбины с двумя регулируемыми отборами пара по трем известным величинам уравнения (1) найти четвертую. Пусть, например, заданы N э , G п , G т . Требуется найти G 0 . Сначала по N э и G т находят N ф : из точки А заданной мощности N э проводят прямую АВ, параллельную ОК, до пересечения с линией постоянного расхода G п = const . Отрезок АС изображает дополнительную мощность, выработанную ЧНД за счет дополнительного пропуска пара в количестве G т . Фиктивная мощность турбины N ф определяется в точке С. Пользуясь верхней частью диаграммы режимов, по N ф определяют искомый расход пара на турбину G 0 как ординату точки D пересечения N ф = const и G п = const .

СРС 20.2.Диаграмма режимов турбины с двумя отопительными отборами пара. Диаграмма выражает зависимость между мощностью турбины N э , тепловой нагрузкой Q т , расходом пара на турбину G 0 , температурой сетевой воды t с , идущей потребителю:

F(N э , Q т, G 0 , t с)=0. (5)

Диаграмма режимов строится по методу разделения расхода свежего пара на два потока: теплофикационный G т 0 и конденсационный G к 0 . Соответственно мощность турбины условно принимается равной сумме мощностей теплофикационного N т э и конденсационного N к э потоков. С учетом этого зависимость(5) можно представить в следующем виде:

G 0 = f 2 (N т э , t 2с) + f 3 (N к э) (6)

Диаграмму режимов строят в трех квадрантах (рис. 20.2 СРС ).

Рис. 20.2 СРС Диаграмма режимов турбины с двумя отопительными отборами пара.

В первом (левом верхнем) изображают зависимость расхода пара на турбину от тепловой нагрузки при работе по тепловому графику G т 0 = f 1 (Q т,t 2с) . Во втором (правом верхнем) квадранте представляется зависимость расхода пара на турбину от ее мощности при различных значениях t 2с и работе по тепловому G т 0 = f 2 (N т э, t 2с) . Третий (нижний) квадрант характеризует работу турбины по электрическому графику и выражает зависимость конденсационного расхода пара от мощности, вырабатываемой этим потоком G к 0 = f 3 (N к э). Общий расход пара на турбину в соответствии с (20.2 СРС ) нахо­дят суммированием расходов пара, полученных во втором и третьем квадрантах. В третьем квадранте наносят также линию чисто конденсационного режима турбины без тепловой нагрузки (линия а ), которая лежит ниже линий G к 0 = f 3 (N к э) .

Примеры пользования диаграммой режимов турбины с двумя отопительными отборами пара:

1. Определение мощности турбины и расхода пара при работе турбины по тепловому графику и известных тепловой нагрузке Q т и температуре сетевой воды t 2с .

По заданным значениям Q т и t 2с проводят в квадрантах I и II ломаную АВСDЕ (рис. 20.2 СРС ). В квадранте I в точке С находят расход пара G т 0 , а в квадранте II в точке Е - мощность турбины N т э .

2. Определение расхода пара на турбину, работающую по конденсационному режиму, при известных тепловой нагрузке Q т , мощности N э и температуре сетевой воды t 2с .

По заданным значениям Q т и t 2с определяют мощность N т э , вырабатываемую теплофикационным потоком пара. Разность между заданной мощностью N э и найденным значением N т э определяет мощность N к э , развиваемую кон­денсационным потоком пара. Ей соответствует отрезок ЕЖ на рис. 20.2 СРС . Тогда, проводя из точки Е линию, эквидистантную зависимости G к 0 = f 3 (N к э) , в точке И ее пересечения с линией N э = const находят расход конденсационного потока пара G к 0 (ордината точки И в квадранте III на рис. 20.2 СРС ). Расход пара на турбину определяют суммированием значений G к 0 и G т 0 .

3. Определение расхода пара на турбину при работе турбины при чисто конденсационном режиме G к 0 по заданной мощности N э .

В квадранте III по известной мощности N э и кривой а определяют искомое значение расхода пара G к 0 (линия ЛМН).

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-27

В отличие от турбин с противодавлением у турбин с промежуточными регулируемыми отборами и конденсатором выработка э/э может вестись независимо от тепловой нагрузки.

Турбина с одним отбором.

1 - часть высокого давления (ЧВД);

2 - часть низкого давления ЧНД);

3 - генератор;

4 - конденсатор;

5 - тепловой потребитель;

6 - стопорный клапан;

7 - регулирующий клапан;

8 - регулирующий клапан ЧНД;

9 - предохранительный клапан;

10 - отсечной клапан;

11 - обратный клапан.

ЧВД и ЧНД представляют собой группы ступеней и могут быть расположены в одном или в разных цилиндрах, соответственно в цилиндре высокого давления (ЦВД) и в цилиндре низкого давления (ЦНД).

Свежий пар с параметрами Р о и t o , пройдя через клапаны 6 и 7, расширяется в ЧВД до давления Р п , которое поддерживается постоянным. После ЧВД поток пара разделяется на поток G п и G к . последний идет через 8 в ЧНД, где расширяется до давления в конденсаторе Р к .

Относительный внутренний КПД всей турбины:

Определим эл. мощность без учетов отборов пара на регенерацию: N э = η м ·η эг ·Ni .

Внутренняя мощность:

Для турбин с регулируемым отбором возможно

Конденсационные;

Теплофикационные.

Режим будет полностью конденсационным , если G п = 0 и турбина работает как турбина типа К. при этом клапан 8 полностью открыт, отсечной клапан 10 полностью закрыт, регулирование нагрузки производится клапаном 7. Отсечной клапан 10 не является регулирующим. Его возможное положение: полностью открыт или полностью закрыт.

Режим называется теплофикационным , когда G п > 0 и отсечной клапан 10 полностью открыт. Необходимые электрическая мощность при постоянной частоте тока и тепловая нагрузка обеспечиваются совместным регулированием степени открытия клапанов 7 и 8.

Как частный случай теплофикационного режима возможна работа с противодавлением , при этом клапан 8 закрыт, и весь пар направляется в регулируемый отбор. Но в ЧНД принудительно пропускается малое количество пара для отвода теплоты трения от ротора ЧНД. Этот пропуск пара называется вентиляционным . В режиме с противодавлением электрическая нагрузка полностью определяется величиной нагрузки теплового потребителя.

Предохранительный клапан 9 служит для предотвращения механических повреждений в случае неправильной работы системы регулирования и превышения давления пара в камере отбора сверх допустимого. Если при внезапном отключении генератора клапан 8 не закроется, то пар из паропровода отбора может пойти обратно и будет поступать в ЧНД и в конденсатор и может разогнать турбину до скорости, вызывающей её разрушение. Чтобы этого не произошло, установлен обратный клапан 11. Предусмотрено принудительное закрытие отсечного клапана 10.

Турбины с 2-мя промежуточными регулируемыми отборами пара.

4) генератор;

5) конденсатор;

6) потребитель низкопотенциальной теплоты (отопительный отбор);

7) производственный потребитель;

8) стопорный клапан;

9) 10) регулирующий клапан;

11) поворотная диафрагма.

Изобразим процесс расширения.

0-1 – расширение пара в ЧВД;

1-2– дросселирование в клапане 10;

2-3– расширение в ЧСД;

3-4– дросселирование в диафрагме 11;

4-5– расширение пара в ЧНД.

Для таких турбин характерно еще большее разнообразие режимов работы по сравнению с турбинами с 1 отбором. Возможен:

Конденсационный режим (10 и 11 полностью открыты, а отсечные клапаны закрыты);

- один из отборов закрыт;

В ЧНД имеется лишь вентиляционный пропуск пара (эл. Мощность полностью определяется нагрузками тепловых потребителей).

Необходимые в каждый момент времени эл. мощность с постоянной частотой тока и тепловые нагрузки с заданными давлениями Р п и Р т обеспечиваются совместным регулированием степени открытия клапанов 9 и 10 и диафрагмы 11.

Клапаны 9 и 10 представляют собой клапаны с сервомоторным приводом.

Регулирующим органом между ЧСД и ЧНД обычно служит поворотная диафрагма 11 из-за больших объемов расхода пара. При этом ЧСД и ЧНД расположены в ЦНД. В закрытом положении некоторая часть вентиляционного пара проходит в ЧНД через малые зазоры между лопатками и окнами диафрагмы.

12) сопловая решетка первой ступени ЧНД.