Работа турбины при переменном режиме с постоянным начальным давлением

Рассмотрим переменный режим турбин, у которых при изменении нагрузки начальные параметры пара остаются неизменными. Рассмотрим сначала работу турбины, не имеющей отборов пара на регенеративные подогреватели в конденсационном режиме. В такой турбине из-за малого давления в конденсаторе давления в ступенях будут прямо пропорциональны расходу свежего пара. Таким образом, давление в камере регулирующей ступени будет изменяться пропорционально расходу пара, что, однако, приведёт к существенному изменению теплоперепада только последней или нескольких последних ступеней.

При увеличении расхода пара давление в камере регулирующей ступени повышается, суммарный теплоперепад всех нерегулируемых ступеней также увеличивается, однако это произойдёт в основном за счёт увеличения теплоперепада последней ступени. Поскольку давление в камере регулирующей ступени возросло, теплоперепад регулирующей ступени уменьшился. Таким образом, оказывается, что почти все нерегулируемые ступени, кроме последней, выработают дополнительную мощность в соответствии с возросшим расходом пара, а последняя – в соответствии с возросшим расходом пара и теплоперепадом. Такое увеличение мощности возможно только за счёт увеличения окружной силы, вращающей колесо турбины. Таким образом, окружная сила, изгибающая рабочую лопатку в плоскости колеса, с ростом расхода пара увеличивается.

В результате оказывается, что при увеличении расхода пара через турбину рабочие лопатки последней ступени перегружаются и за счёт увеличения теплоперепада. Поскольку рабочие лопатки последней ступени и так работают почти на пределе своей механической прочности, то даже небольшое увеличение расхода пара угрожает их надёжности. Кроме того, увеличение расхода пара приводит к пропорциональному росту осевого усилия и увеличению нагрузки на колодки упорного подшипника.

Поэтому увеличение мощности теплофикационной турбины сверх номинальной при работе в конденсационном режиме может производиться эксплуатационным персоналом строго в рамках пределов.

Всё изложенное можно легко видоизменить, чтобы провести анализ работы отсека турбины при уменьшении расхода пара: разгрузка турбины происходит в большей степени за счёт разгрузки последней ступени, которая при этом попадает в более благоприятные условия работы.

Рассмотрим теперь работу первой ступени турбины. Если турбина имеет дроссельное парораспределение, то первую ступень турбины можно рассматривать вместе с остальными, т.е. можно включать в группу ступеней, и все полученные выше выводы сохранятся. Но это нельзя делать при сопловом парораспределении, когда парциальность регулирующей ступени изменяется при изменении расхода пара.

Особенность работы регулирующей ступени состоит в том, что в общем случае изменяется давление и за ней (в камере регулирующей ступени), и перед ней (вследствие дросселирования пара в регулирующем клапане), несмотря на то, что давление пара перед регулирующими клапанами можно считать постоянными.

На рис. 11.6 показаны диаграммы изменений расхода пара через отдельные группы сопл и изменения давлений в регулирующей ступени для турбины с четырьмя регулирующими клапанами при изменении расхода через турбину.

Диаграмма на рис. 11.6, а позволяет определить, в каком положении находятся регулирующие клапаны при выбранном расходе пара. Например, расход пара, равный половине номинального (точка D), обеспечивается одним не полностью открытым клапаном; номинальный режим (точка A) обеспечивается при полном открытии трёх клапанов, а открытием четвёртого регулирующего клапана можно осуществить перегрузку турбины в допустимых пределах.

Диаграмма на рис. 11.6, б позволяет определить, как изменится давление. При номинальном режиме, если пренебречь дросселированием в первых трёх регулирующих клапанах, т.е. если считать, что давление перед соответствующими группами совпадает с давлением свежего пара (точки 1, 2 и 3), давление в зазоре между сопловой и рабочей решётками изображается точкой A, а за ступенью – точкой A¢. При этом (рис. 11.6, а) первый клапан обеспечивает 50% расхода, второй – 26%, а третий – 24%.

Посмотрим, как изменяются условия работы при увеличении расхода пара, например на 10% (точка E). В этом случае давление пара в камере регулирующей ступени увеличится также на 10% (точка K¢), а теплоперепад, относящийся к потокам пара, проходящим через первые три регулирующих клапана, уменьшится. Уменьшится и расход пара через эти клапаны, как видно из рис. 11.6, а (хотя суммарный расход за счёт открытия четвёртого клапана увеличится). Поэтому, когда рабочие лопатки при своём вращении будут проходить перед первой, второй и третьей сопловыми группами, на них будет действовать меньшее усилие при расходе пара 110%, чем при расходе пара 100%. Таким образом, увеличение расхода пара через ЦНД турбины сверх номинального приводит к уменьшению напряжений в лопатках регулирующей ступени.

Рассмотрим теперь случай, когда расход пара снижается на 10% посредством частичного закрытия третьего клапана. В этом случае давление в камере регулирующей ступени упадёт также на 10% (точка M¢), а поскольку первый клапан остался по-прежнему полностью открытым, теплоперепад регулирующей ступени по первому потоку возрастет. Расход пара через этот клапан, как видно из рис. 11.6, а, также возрастёт, так как течение в нём было докритическим. Ясно, что расхода через турбину приведёт к увеличению напряжений изгиба в рабочих лопатках регулирующей ступени. Наибольших значений напряжение достигнет тогда, когда в работе останется только один полностью открытый клапан. На этом режиме при давлении перед соплами, равном давлению свежего пара, давление в камере регулирующей ступени достигнет самого низкого значения. В регулирующей ступени будет срабатываться максимальный перепад, а расход пара через эту группу сопл будет максимальным.

При дальнейшем уменьшении расхода пара прикрытием единственного клапана напряжения будут уменьшаться из-за дросселирования пара в клапане. Изменение напряжений изгиба в лопатках регулирующей ступени при изменении пропуска пара приводит к тому, что «классическая» система парораспределения со строго поочередным открытием регулирующих клапанов почти никогда не используется.

Изменение пропуска пара через турбину с сопловым парораспределением приводит не только к изменению напряжений в рабочих лопатках регулирующей ступени, но и к изменению температуры в её камере: с увеличением нагрузки температура растёт, а с уменьшением падает.

При сопловом парораспределении при режимах частичной нагрузки КПД турбины уменьшается. Это связано с дросселированием пара в частично открытых клапанах и увеличением теплоперепада регулирующей ступени, экономичность которой всегда ниже, чем последующих ступеней. В неблагоприятных условиях находятся мощные турбины, спроектированные для работы в узком диапазоне нагрузок, близких к номинальным.

Все турбины, работающие при переменных нагрузках, снабжают большим числом регулирующих клапанов (в частности, турбины с противодавлением и с отборами, особенно чувствительными к дросселированию пара в клапанах).