Роль промежуточного перегрева водяного пара и регенеративного подогрева питательной воды в турбоустановках.

Вопросы

1 Промежуточный перегрев водяного пара в паротурбинных установках. 

2 Регенеративный подогрев питательной воды в турбоустановках.

3 Комбинированная выработка теплоты и электрической энергии на ТЭЦ.

Вопрос №1 Промежуточный перегрев водяного пара в паротурбинных установках

Парные значения начальных параметров t0, р0, водяного пара, при которых в процессе расширения в проточной части турбины обеспечивается заданное значение конечной степени влажности у2, называют сопряженными начальными параметрами.

В отечественных турбоустановках, а также за рубежом, при начальной температуре выше t0 ³540 0С применяют начальные давления водяного пара 14,0 и 24,0 МПа без превышения допустимой степени влажности. Это достигается применением промежуточного перегрева, когда пар после расширения в ЦВД турбины направляется в котел для вторичного перегрева до температуры tпп. Итак, применение промежуточного перегрева позволяет в энергоблоках ТЭС повышать начальное давление пара при неизменной начальной температуре с сохранением умеренной конечной влажности в турбине.

На рисунке 4 представлены схема газового промперегрева (рисунок 4,а), тепловой цикл в Т,s-диаграмме (рисунок 4,б) и процесс расширения водяного пара в h,s-диаграмме для паротурбинной установки (рисунок 4,в). Цикл с промежуточным перегревом пара (рисунок 4,б) можно рассматривать как сочетание двух циклов, первый из которых 1а1аbde21 является основным, а второй 2ee1fg32 – дополнительным. Видно, что если эквивалентная температура Тэ,пп дополнительного цикла выше Тэ основного цикла, то КПД общего цикла возрастает. При этом увеличивается и hoiЧНД из-за меньшего влияния влажности на экономичность последних ступеней части низкого давления турбины (ЧНД). Внутренний абсолютный КПД турбоустановки с промежуточным перегревом выражается следующим образом:

 , (1) 

где соответствующие значения hoi определяют совершенство проточной части высокого давления турбины (до промперегрева) и проточной части низкого давления (после промперегрева). Знаменатель в (1) представляет количество теплоты, подводимой в котле и промежуточном перегревателе к 1 кг пара.

Рисунок 4. Тепловая схема ПТУ с промежуточным перегревом водяного пара (а), тепловой цикл (б) и процесс расширения (в) для паровой турбины

Потери давления во всем тракте промежуточного перегрева пара допускаются не выше 10 % от давления рпп, которое выбирают в диапазоне рпп=(0,15 ÷ 0,25)р0. Обычно в отечественной теплоэнергетике принимают tпп=t0. В современных турбоустановках промежуточный перегрев используется в энергоблоках мощностью более 150 МВт. Выигрыш от использования промперегрева с учетом роста эффективности ЦНД турбины достигает (4 ÷ 5) %.

Вопрос №2 Регенеративный подогрев питательной воды в турбоустановках

В паротурбинных установках используется регенеративный подогрев питательной воды паром, отбираемым из нескольких промежуточных ступеней турбины, до которых он совершил определенную работу при расширении от давления р0 до давления отбора ротб. Такой подогрев требует относительно небольших затрат теплоты и его можно рассматривать как тепловое потребление в комбинированном цикле. При этом получают существенный выигрыш в экономичности, пропорциональный мощности, вырабатываемой на тепловом потреблении. Следует помнить, что потери теплоты с охлаждающей водой в конденсаторе турбоустановки пропорциональны количеству отработавшего пара в турбине, поступающему в конденсатор. Поэтому организация отбора водяного пара и сокращение его расхода в конденсатор (до 30 ÷ 40 %) экономически выгодно.

В регенеративных подогревателях тепловой схемы ТЭС происходит нагрев сначала конденсата отработавшего пара в подогревателях низкого давления (ПНД) с температуры насыщения tк1, определяемой давлением в конденсаторе рк, до температуры насыщения, определяемой давлением в деаэраторе рд, а затем питательной воды до tпв в подогревателях высокого давления (ПВД). В итоге регенеративный цикл по сравнению с обычным циклом имеет более высокую среднюю температуру подвода теплоты при той же температуре отвода и поэтому обладает более высоким термическим КПД. При этом количество теплоты на регенерацию зависит от разности температур tпв-tк1 и практически не зависит от числа отборов пара в турбине. Однако ее электрическая мощность существенно зависит от числа отборов и распределения ступеней нагрева в подогревателях. Максимальная мощность соответствует бесконечно большому числу отборов, а минимальная – одному. В практике применяют ограниченное число подогревателей (не более 9), поскольку с ростом числа ступеней подогрева растет стоимость регенеративной установки. Поскольку в регенеративной системе подогрев воды до температуры насыщения to1, соответствующей давлению р0, приводит к росту потерь теплоты с уходящими из котла дымовыми газами, то принято выбирать значения tпв=(0,65 ÷ 0,75)t01. Например, при р0=23,5 МПа tпв»265 ÷ 274 0С, а при р0=12,75 МПа tпв»230 0С. Влияние числа регенеративных подогревателей z на относительный выигрыш в удельном расходе теплоты для ПТУ без промперегрева и с ним показано на рисунке 5,а и рисунок 5,б.

а) б)

Рисунок 5. Изменение удельного расхода теплоты энергоблока в зависимости от числа регенеративных отборов в турбоустановке без промперегрева (а) и с промперегревом (б)

На рисунке 6 представлен пример тепловой схемы энергоблока с конденсационной турбиной К-800-23,5-5 ЛМЗ, в которой реализована восьмиступенчатая система регенеративного подогрева питательной воды и основного конденсата, состоящая из четырех ПНД, деаэратора и трех ПВД, выполненных в две нитки. Перегретый пар из котла 1 по двум главным паропроводам направляется в ЦВД турбины (р0=23,5 МПа, t0=540 0С, G0=680 кг/с), в котором имеет место отбор в ПВД-8. Отбор пара в ПВД-7 организован из холодных ниток промперегрева. После промперегрева пар с параметрами рпп=3,8 МПа, tпп=540 0С направляется в ЦСД турбины (перед клапанами ЦСД р0=3,43 МПа), в проточной части которого сформированы три камеры отбора.

1 - котел ТГМП-204; 2 – цилиндры высокого, среднего и низкого давлений паровой турбины К-800-23,5; 3 - электрогенератор ТВВ-800-2; 4 - конденсаторы; 5 - деаэратор; 6—8 – подогреватели высокого давления (ПВД); 9, 11 - подогреватели сальниковые; 10, 12 – подогреватели низкого давления (ПНД) смешивающего типа; 13, 14 – ПНД поверхностного типа; 15-17 – элементы испарителей; 18, 19 – подогреватели сетевой воды; 20 – бустерный насос питательного насоса; 21 – основной питательный насос с турбоприводом (ПТН); 22-24 – конденсатные насосы; 25 – турбопривод питательного насоса (ПН); 26 – конденсатор турбопривода ПН; 27 – обессоливающая установка

Рисунок 6. Тепловая схема турбоустановки Nэ=800 МВт (р0=23,5 МПа, t0=540 0С, tпп=540 0С)

Пар из первого отбора обеспечивает подогрев питательной воды в ПВД-6 и работу турбоприводов (паровых турбин 25) питательных насосов (ПТН 21 с давлением в напорном патрубке 34,3 МПа). В качестве турбопривода применяется паровая турбина К-17-15П КТЗ с номинальной мощностью 17,15 МВт при начальных параметрах водяного пара р0=1,44 МПа, t0=422 0С, расходе пара G0=20,2 кг/с и давлении в конденсаторе рк=6,86 кПа. Частота вращения ротора этой турбины n=77,75 с-1 (4665 об/мин). Из второго отбора ЦСД пар направляется в деаэратор 5, а из третьего ПНД в ПНД-4 (14). Последний отбор пара из ЦСД организован из перепускной трубы в ЦНД турбоустановки и связан с ПНД-3 (13). Подогреватели низкого давления ПНД-1 (10) и ПНД-2 (12) – смешивающего типа, выполнены по схеме с перекачивающими насосами. Слив конденсата греющего пара из ПВД – каскадный, а после ПВД-6 слив производится в деаэратор.

Основной конденсат из конденсатора (4) турбоустановки (рк=3,43 кПа) конденсатными насосами 1-й ступени (22) направляется в блочную обессоливающую установку (27) и далее, в сальниковый подогреватель СП-1 (9). В сальниковом подогревателе для нагрева основного конденсата используется теплота паровоздушной смеси, поступающей из каминных камер концевых уплотнений турбины. После СП-1 конденсат движется в ПНД-1 и откачивается из него в ПНД-2 конденсатными насосами 2-й ступени (23). На участке основного конденсата между ПНД-1 и ПНД-2 установлен сальниковый подогреватель поверхностного типа СП-2 (11), предназначенный для охлаждения и конденсации пара, отводимого из промежуточных камер концевых уплотнений ЦВД турбины. Из ПНД-2 конденсат откачивается конденсатными насосами 3-й ступени (24) и направляется через подогреватели ПНД-3 и ПНД-4 в деаэратор. На тепловой схеме представлены также: испарительная установка (15 ÷ 17), подогреватели сетевой воды (18, 19), бустерные насосы (20) и конденсаторы (26) паровых турбин (25) питательных насосов (21). Обе группы ПВД рассчитаны для нагрева питательной воды до tпв=2740С с ее расходом, составляющим 105 % от максимального расхода водяного пара в паровую турбину (G0,мах=736 кг/с). Расчетный удельный расход теплоты на выработку электроэнергии при номинальных расходе и параметрах водяного пара в турбоустановке qэбр=7647 кДж/(кВт×ч).

Одна из перспектив повышения эффективности тепловых электростанций определена использованием сверхвысоких параметров (СВП) водяного пара. Эти параметры по мере создания и освоения улучшенных жаропрочных сталей могут достигать значений по температуре t0=590 ÷ 600 0C, а по давлению р0=28 ÷ 33 МПа. Использование таких энергоблоков позволит получить в зависимости от числа ступеней промперегрева и уровня температур t0/tпп hэснт=44,9 ÷ 45,9 %. Так, например, при давлении р0=29 МПа и t0/tпп=580/580 0С hэснт=44,94 %, а при t0/tпп1/tпп2=580/590/600 0С hэснт=45,67 %.

Вопрос №3 Комбинированная выработка теплоты и электрической энергии на ТЭЦ

Одновременная выработка электрической энергии и теплоты в паротурбинной установке называется комбинированной. Выработку на ТЭС тепловой энергии для бытовых и технологических нужд внешних потребителей за счет использования отработавшего в турбине водяного пара на базе централизованного теплоснабжения называют теплофикацией. Теплофикация является важнейшим средством снижения удельного расхода топлива на тепловых электрических станциях, которые называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Тепловая схема ТЭЦ с турбиной, имеющей регулируемый отбор водяного пара, представлена на рисунке 7. В таких установках выработка электрической энергии и отпуск теплоты внешнему потребителю (ТП) могут изменяться в достаточно широких пределах независимо друг от друга. При существенном понижении электрической нагрузки, а также при останове турбины, часть пара к тепловому потребителю может направляться через редукционно-охладительную установку (РОУ). Применяемые на ТЭЦ паровые турбины обычно имеют от одного (турбины типа Т и П) до трех регулируемых отборов, из которых два являются теплофикационными, а один - производственным (турбины типа ПТ). Кроме того, для удовлетворения тепловых нужд потребителя с повышенным давлением применяются паровые турбины с противодавлением типа Р. В таких установках одновременно с выработкой электроэнергии почти вся теплота отработавшего пара в турбине используется для нужд тепловых потребителей.

Рисунок 7. Тепловая схема ТЭЦ

  В качестве примера на рисунке 8 приведена упрощенная тепловая схема турбоустановки Т-250/300-23,5 с элементами теплофикационной части (сетевыми подогревателями).

1 - сетевые насосы; 2, 3 - верхний и нижний сетевые подогреватели; 4 - дренажные насосы сетевых подогревателей; 5 - обратная сетевая вода; 6 - конденсатный насос; 7 - сливные насосы; 8 – подогреватели низкого давления;  9 - питательный турбонасос; 10 – подогреватели высокого давления

Рисунок 8. Принципиальная тепловая схема турбоустановки Т-250/300-23,5-5:

Вопросы для самоконтроля

1 Где осуществляется промежуточный перегрев пара в паротурбинной установке?

2 Куда направляется пар после промежуточного перегрева?

3 В результате какого процесса осуществляется промежуточный перегрев пара?

4 Изобразить принципиальную схему паротурбинной установки с промежуточным перегревом пара.

5 Изобразить цикл с промежуточным перегревом пара в термодинамических диаграммах.

6 Как влияет промежуточный перегрев пара на работу паротурбинной установки?

7 Какой подогрев воды называется регенеративным?

8 Где осуществляется регенеративный подогрев питательной воды в паротурбинной установке?

9 Изобразить принципиальную схему паротурбинной установки с регенеративным подогревом питательной воды.

10 Как влияет регенерация на эффективность работы паротурбинной установки?

11 Как осуществляется комбинированная выработка теплоты и электрической энергии на ТЭЦ?

12 Что называется теплофикацией?

13 Изобразить принципиальную схему установки для комбинированной выработки теплоты и электрической энергии.