Выбор начальных и конечных параметров пара

19. Как выбираются начальные параметры пара на ТЭС, чем они ограничены? Что такое равнопрочные начальные параметры пара? Каковы начальные параметры пара в отечественной теплоэнергетике?

На ТЭС на органическом топливе используется цикл перегретого пара, а на АЭС с реакторами на тепловых нейтронах (РТН) — цикл насыщенного пара. Это связано с тем, что в РТН в качестве основного конструкционного материала активной зоны используются сплавы на основе циркония. Они позволяют уменьшить вредное поглощение нейтронов по сравнению с различными марками сталей, но выдерживают температуру не более 340−350 ^оС. Это меньше критической температуры водяного пара, равной примерно 374 ^оС, а при докритических параметрах КПД цикла насыщенного пара больше, чем цикла перегретого пара (рис. 7).

Рис. 7. Цикл Ренкина на насыщенном (сплошные линии) и перегретом (пунктирные линии) паре при докритических начальных параметрах пара

Начальные параметры пара — это его давление P_o и температура T_o на входе в турбину. Отметим, что для цикла насыщенного пара можно выбирать только начальное давление, поскольку давление насыщения однозначно определяет температуру рабочего тела.

Повышение начальных параметров пара является одним из главных способов увеличения термического КПД цикла.

Чем выше принимаемая начальная температура, тем ниже должно быть давление — по условию надежности металла. Парные значения P_o и T_o, обеспечивающие одинаковую прочность энергооборудования, называются равнопрочными начальными параметрами рабочего тела.

При выборе начального давления пара принимают во внимание следующие факторы:

• — увеличение начального давления пара до уровня примерно 30 МПа приводит к заметному повышению термического КПД цикла Ренкина, дальнейший рост P_o слабо влияет на з_t и даже приводит к его уменьшению при очень высоких давлениях (рис. 8, 9);
• — с ростом P_o происходит уменьшение з_оi из-за повышения конечной влажности пара (рис. 10);
• — при повышении P_o плотность пара увеличивается и, следовательно, высота лопаток уменьшается, что ведет к снижению з_оi вследствие роста относительных потерь, обусловленных проходом пара через зазоры в турбинной ступени (т.е. концевых потерь);
• — чем выше P_o, тем меньше размеры агрегатов (в связи с более высокой плотностью рабочего тела), но металлоемкость оборудования в целом возрастает из-за увеличения толщины стенок (для обеспечения прочности).

Рис. 8. Зависимость адиабатического теплоперепада от начального давления

Поскольку рассмотренные выше факторы оказывают неоднозначное влияние на выбор начального давления, оптимальная величина P_o определяется на основе технико-экономического анализа. В результате этого в настоящее время в отечественной теплоэнергетике начальное давление для турбоустановок с промперегревом составляет, как правило, 23,5 МПа (240 атм), а при отсутствии промперегрева — 12,75 МПа (130 атм).

Теперь обратимся к выбору начальной температуры пара на ТЭС. Из рис. 11 видно, что с ее ростом з_t все время увеличивается. Но величина T_o

Рис. 10. Зависимость конечной влажности пара от начального давления

ограничена термической стойкостью конструкционных материалов: стали перлитного класса выдерживают температуру до 540 ^оС, нержавеющие стали — 600−650 ^оС. В связи с этим начальная температура пара на современных ТЭС составляет в настоящее время 540 ^оС.

Отметим также, что повышение T_o ведет и к увеличению з_оi по следующим причинам:

— с ростом начальной температуры пара снижается его конечная влажность (рис. 11);

Рис. 11. Влияние начальной температуры пара на термический КПД цикла Ренкина и конечную влажность пара

— возрастание T_o приводит к снижению плотности рабочего тела, а ранее было показано, что это увеличивает высоту лопаток и тем самым уменьшает концевые потери в проточной части турбины.

В заключение назовем основные этапы роста начальных параметров пара на отечественных электростанциях:

• — давление 3,5 МПа и температура 435 ^оС; таких турбоустановок, где применяется углеродистая сталь, практически не осталось;
• — 8,8 МПа (90 атм) и 535 ^оС; данная температура близка к предельно допустимой для сталей перлитного класса; оборудование с такими параметрами пока еще встречается на электростанциях, но является сильно устаревшим;
• — 12,75 МПа и 540 ^оС; переход от 8,8 МПа/535 ^оС к 12,75 МПа/540 ^оС позволил уменьшить удельный расход теплоты на 12−14%;
• — 23,5 МПа и 540 ^оС; увеличение параметров с 12,75 МПа/540 ^оС до 23,5 МПа/540 ^оС дает экономию теплоты еще примерно 4−5%;
• — при использовании нержавеющих сталей возможно дальнейшее возрастание начальных параметров, например, до 30 МПа/650 ^оС, что позволяет еще на 4−5% повысить тепловую экономичность.
• 20. К каким последствиям может привести чрезмерная влажность пара в турбине? Что такое сопряженные начальные параметры пара? Почему современные турбины без промперегрева имеют начальное давление пара не выше 12,75 МПа?

Влажность пара щ означает массовую долю воды во влажном паре, а сухость пара х = 1 — щ. Например, для сухого насыщенного пара щ = 0, х = 1 (или 100%). Чрезмерная влажность пара может привести к повышенной эрозии турбинных лопаток, т. е. к механическому износу вследствие соударения капелек влаги с металлом. Особенно это опасно для лопаток последней ступени турбины, поскольку концевые части этих лопаток имеют максимальную окружную скорость. В связи с этим величина конечной влажности пара щ_к не должна превышать предельно допустимых значений — например, 12−14% для атомных турбин насыщенного пара.

Из рисунков 10 и 11 видно, что увеличение начального давления и начальной температуры оказывает противоположное влияние на щ_к. Следовательно, существует бесконечное множество парных значений P_o и T_o, обеспечивающих допустимую конечную влажность пара (рис. 12) ;

Рис. 12. Сопряженные начальные параметры пара

например, 20 МПа и 600 ^оС. Такие параметры начального давления и начальной температуры называются сопряженными начальными параметрами пара.

Поскольку максимально допустимая начальная температура пара на отечественных ТЭС сейчас составляет 540 ^оС, то можно определить сопряженное с этой температурой начальное давление пара на входе в турбину: P_o = 12,75 МПа (130 атм). Это наибольшее давление, при котором еще не превышается допустимая конечная влажность. Дальнейшее увеличение начального давления сверх сопряженного значения требует наличия промперегрева пара.

21. Какие факторы влияют на выбор конечных параметров пара? Что такое кратность охлаждения в конденсаторе? Каково конечное давление пара на ТЭС и АЭС?

Конечные параметры пара — это его давление P_к и температура T_к в конденсаторе. Поскольку в конденсаторе турбины происходит процесс конденсации пара, т. е. фазовый переход, то конечное давление однозначно определяется величиной T_к (это температура насыщения при давлении P_к). Поэтому достаточно выбрать только один из двух конечных параметров, и обычно это P_к.

Чем ниже конечное давление, т. е. чем глубже вакуум в конденсаторе, тем больше теплоперепад на турбину и тем выше мощность и КПД станции.

T_к — это температура, при которой конденсируется отработавший в турбине пар. Она (а, стало быть, и величина P_к) зависит от температуры охлаждающей воды и температурного напора д_t в стенках трубок конденсатора.

Охлаждающую воду еще называют циркуляционной или технической (сырой) водой. Ее температура зависит от погодных условий и типа системы технического водоснабжения — прямоточной или оборотной.

Величина д_t определяется следующими факторами:

• — выбор материала поверхности теплообмена; с точки зрения обеспечения высокой теплопроводности при небольшой скорости коррозии и умеренной стоимости оптимальным вариантом для конденсатора оказались латунные трубки;
• — чистота поверхности теплообмена; во многих случаях этот фактор имеет особое значение, ибо в трубках может циркулировать неочищенная охлаждающая вода из природного водоисточника, а образование на внутренних поверхностях конденсаторных трубок малотеплопроводных накипей существенно ухудшает условия теплообмена;
• — расход охлаждающей воды; чем он больше, тем выше коэффициент теплопередачи через стенки трубок конденсатора и тем ниже температура, а, значит, и давление, при котором конденсируется пар.

Выбор величины температурного напора в конденсаторе осуществляется путем технико-экономического анализа, поскольку возрастание д_t ведет, с одной стороны, к ухудшению вакуума, но, с другой стороны, уменьшает размеры теплообменной поверхности конденсатора. Кроме того, для снижения д_t необходимо увеличивать расход охлаждающей воды и, как следствие, долю расхода электроэнергии на собственные нужды электростанции.

Отношение расхода охлаждающей воды к расходу пара через конденсатор называется кратностью охлаждения. Очевидно, что существует оптимальное значение этого показателя — по тем же причинам, что и для величины д_t. Обычно кратность охлаждения составляет 40−50.

Со снижением конечного давления возрастают энергетические потери с выходной скоростью из-за уменьшения плотности и увеличения объема отработавшего пара при неизменном сечении выхлопа турбины. Однако это обстоятельство уступает по своей значимости фактору зависимости мощности турбоагрегата от глубины вакуума в конденсаторе.

Выбор конечного давления связан также с числом оборотов турбины. Эрозионный износ лопаток последней ступени зависит от их высоты, а она — от пропуска пара. Поэтому для АЭС с реакторами на тепловых нейтронах, где начальные параметры рабочего тела невысоки и поэтому удельный расход пара примерно в 1,9 раза выше, чем на обычных ТЭС на органическом топливе, желательны тихоходные турбины (1500 об/мин) и несколько повышенное давление пара на выхлопе. Это обеспечивает уменьшение окружной скорости концевых частей лопаток как за счет снижения числа оборотов, так и вследствие сокращения объемного расхода пара.

Обычными являются следующие значения конечного давления пара: на ТЭС на органическом топливе — порядка 3,5 кПа, а на АЭС на тепловых нейтронах — 4,5−6 кПа.

22. Какие существуют способы расширения действующих электростанций турбоустановками высоких параметров? Каковы достоинства и недостатки этих способов?

Расширение действующих электростанций производится с целью:

• — увеличения общей мощности;
• — улучшения показателей тепловой экономичности.

Возможны два способа расширения — пристройка и надстройка.

Пристройка осуществляется путем ввода в эксплуатацию новой отдельной турбоустановки с более высокими энергетическими показателями по сравнению с существующей частью электростанции. При этом средний по станции удельный расход условного топлива несколько снижается.

Надстройка означает установку новой турбины высоких параметров, которая имеет противодавление, позволяющее отработавшему пару этой турбины продолжить свое расширение в существующей турбине, рассчитанной на меньшие начальные параметры. Таким образом, новая турбина является предвключенной по отношению к имеющейся.

Надстройка может быть полной или частичной — в зависимости от того, какая доля пара, требуемого прежней турбиной, проходит через новую. При частичной надстройке требуются котлы двух давлений, так как турбина с меньшими начальными параметрами получает какую-то часть необходимого ей пара из противодавления новой турбины, а недостающее количество пара — из котла меньшего давления.

Надстройка позволяет более существенно повысить общий КПД электростанции, так как предвключенная турбина увеличивает полезную работу, но не приводит к росту потерь энергии в холодном источнике.

Достоинством другого варианта расширения станции является то, что пристройка, в отличие от надстройки, дает возможность увеличить тепловую нагрузку за счет ввода в действие новых теплофикационных турбин.