Турбины для комбинированной выработки теплоты и электрической энергии

Общая оценка тех экономических преимуществ, которые связаны с комбинированной выработкой теплоты и электрической энергии, была дана в § 1.4. Экономический выигрыш при использовании теплоты отработавшего в турбине пара определяется тем, что скрытая теплота парообразования, которая в конденсационных установках теряется с охлаждающей водой

конденсаторов, в установках, построенных для комбинированной выработки теплоты и электрической энергии, полностью или частично используется для покрытия бытовых или промышленных потребностей прилегающего к электростанции района.

Турбины, которые не только служат приводом генератора электрического тока, но и снабжают теплотой внешних потребителей, получили общее название теплофикационных турбин и разделяются на следующие основные типы:

турбины с противодавлением;

турбины с одним регулируемым отбором пара;

турбины с регулируемым отбором пара и противодавлением;

турбины с двумя регулируемыми отборами пара;

турбины с отборами нерегулируемого давления.

Турбины с противодавлением

Схема установки турбины с противодавлением показана на рис. 9.1. Свежий пар подводится из котла с давлением

от 0,4 до 0,7 МПа, а в некоторых случаях до 1,3—1,8 МПа (см. табл. 1.3 и 1.4).

Пар, покидающий турбину с противодавлением, расходуется лишь в том количестве, которое необходимо тепловому потребителю. Поэтому мощность, развиваемая турбиной с противодавлением, связана с нагрузкой теплового потребителя. В самом деле, мощность турбины выражается равенством

  при постоянных параметрах пара зависит

только от пропуска пара через турбину, а располагаемый теплоперепад не меняется, мощность турбины с противодавлением однозначно определяется расходом протекающего через нее пара. Очевидно, что турбина с противодавлением, работая изолированно, не может полностью обеспечить потребителей электроэнергии, лак как график потребления электроэнергии, как правило, не совпадает с графиком теплового потребления. Поэтому в современных энергетических системах турбины с противодавлением обычно не устанавливаются изолированно, а применяются для параллельной работы с конденсационными турбинами (рис. 9.1).

При такой параллельной работе турбина с противодавлением вырабатывает лишь ту электрическую мощность, которая определяется пропуском пара, идущего к тепловому потребителю, в то время как остальную выработку электрической энергии обеспечивают конденсационные турбины.

Само собой разумеется, что необязательно турбины с противодавлением и конденсационные турбины должны устанавливаться на одной и той же электростанции. Важно, чтобы их генераторы были включены на общую электрическую сеть. Это позволяет рационально распределить нагрузку между турбинами.

Работая по тепловому графику, турбина с противодавлением покрывает лишь часть электрической нагрузки; остальная электрическая нагрузка ложится на конденсационную турбину. В часы максимальных тепловых нагрузок в линию теплового потребителя добавляется редуцированный свежий пар в том случае, если расход пара, требуемый тепловым потребителем, превышает максимальную пропускную способность турбины с противодавлением. Установленный редуктор давления пара 3 позволяет также снабжать теплового потребителя паром в периоды ремонтов турбины с противодавлением.

То обстоятельство, что мощность, развиваемая турбиной с противодавлением, целиком определяется нагрузкой теплового потребителя, часто не позволяет достаточно эффективно использовать установленную мощность турбогенератора, а это в свою очередь ограничивает область применения турбин с противодавлением.

В самом деле, допустим, что турбина с противодавлением должна обслуживать систему отопления. В этом случае значительная нагрузка турбины достигается лишь в холодные зимние месяцы, при большом расходе теплоты на отопление. В летнее время, когда отопление не требуется, турбина может оказаться совсем без нагрузки, и тогда не только сама турбина, но и связанное с ней электрическое оборудование не используются. Поэтому турбина с противодавлением целесообразна при таких тепловых потребителях, нагрузка которых держится на достаточно высоком уровне круглый год, например для химического производства. Давление пара, идущего к тепловому потребителю, как правило, требуется поддерживать постоянным.

Аналогично приведенному в § 1.2 уравнению моментов, связывающему изменение электрической нагрузки с частотой вращения ротора турбины, можно написать уравнение расходов, связывающее тепловую нагрузку с противодавлением турбины:

—секундный расход пара.

проходящего через систему регулирующих клапанов турбины;

Таким образом, всякое нарушение равенства между количеством пара, идущего от турбины, и количеством пара, расходуемого тепловым потребителем, приводит к изменению давления отработавшего пара.

Для того чтобы турбина с противодавлением могла автоматически поддерживать расход пара, необходимый тепловому потребителю, турбина помимо регулятора скорости снабжается регулятор ом давления.

Система регулирования при работе турбины по тепловому графику находится под воздействием регулятора давления. Лишь в том случае, если при работе по тепловому графику произойдет отключение агрегата от сети и генератор разгрузится до нуля, в работу под влиянием повышения частоты вращения вступит регулятор скорости.

В конструктивном отношении турбина с противодавлением отличается от конденсационной только тем, что в ней нет ступеней, работающих в области низких давлений (см. рис. 10.35, 10.43). Поэтому турбина с противодавлением выполняется так же, как часть высокого давления конденсационной турбины, и обычно состоит из регулирующей ступени и ряда последующих нерегулируемых ступеней.

При выборе конструкции турбины с противодавлением решающее значение имеют объемный пропуск пара, на который должна быть рассчитана турбина, и график нагрузки, с которым турбина будет работать.

Поскольку в турбине с противодавлением нет ступеней, работающих при давлении ниже атмосферного, то отпадают все трудности, связанные с проектированием лопаток для больших объемных пропусков пара. Даже в турбинах с противодавлением, рассчитанных на очень большие массовые расходы пара, высоты последних лопаток получаются умеренными. Расходы пара, которые могут быть пропущены через однопоточиую турбину при работе ее с противодавлением, очень велики.

велико, дроссельное парораспределение в таких турбинах применять не рекомендуется.

Однако применение соплового парораспределения само но себе еще не определяет характера изменения экономичности при недогрузках турбины. Вместе с тем для турбины с противодавлением закон изменения КПД при уменьшении пропуска пара представляет особый интерес, так как такая турбина, обслуживая тепловою потребителя, нередко должна работать с переменным в широких пределах расходом пара. В § 8.5 было показано, что КПД турбины при ее недогрузках сохраняется тем устойчивее, чем больший расчетный теплопе-репад принят для регулирующей ступени.

При распределении расчетного теплоперепада между регулирующей и последующими ступенями следует иметь в виду, что чем меньше тенлоперепад, принятый в качестве расчетного для регулирующей ступени, и чем соответственно больше общее число ступеней, тем выше может быть достигнут КПД при полной нагрузке, однако тем резче падает КПД турбины при уменьшении расхода пара.

На рис. 9.2 показаны кривые изменения КПД в зависимости от относительного пропуска пара для трех вариантов выполнения турбины.

Кривая а построена для турбины, состоящей из одной двухвеиечной ступени скорости, кривая Ь — для турбины, в которой при расчетной нагрузке 30% теплоперепада приходится на регулирующую ступень, в то время как остаток теплоперепада срабатывается в группе нерегулируемых ступеней.

  построены в предположении идеального соплового парораспределения, т. е. без учета дросселирования в частично открытом клапане.

Диаграмма рис. 9.2 показывает, что в тех случаях, когда турбина работает с меняющейся в широких пределах нагрузкой и когда число часов использования турбины при малых нагрузках велико, оказывается целесообразным выделить при расчетном режиме значительную долю теплоперепада на регулирующую ступень и всю машину выполнить с небольшим числом ступеней. Наоборот, чем ровнее предполагаемый график нагрузки турбины и чем ближе средняя по графику нагрузка к расчетной, тем рациональнее увеличивать число ступеней и сокращать долю теплоперепада, приходящегося на регулирующую ступень при максимальной нагрузке.