Современное состояние и перспективы решения вопроса потерь от влажности в паровых турбинах Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 226 1976

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЕШЕНИЯ ВОПРОСА ПОТЕРЬ ОТ ВЛАЖНОСТИ В ПАРОВЫХ ТУРБИНАХ

С. В. ПОЛОЖИЙ

(Представлена научным семинаром кафедры ТЭУ)

Работа паровых турбин в области влажного пара характеризуется низким к.п.д. Актуальность решения задачи повышения к.п.д. в области влажного пара непрерывно возрастает в связи с огромным размахом строительства конденсационных турбин большой мощности с сильно развитыми ЦНД и значительным производством электрической энергии в стране на влажном паре. За последние десять — двенадцать лет в нашей стране были выполнены многочисленные исследования в ЛПИ, БИТМ, МЭИ, НЗЛ, ХТГЗ и др., опубликовано большое количество работ по вопросу потерь от влажности в паровых турбинах, даны рекомендации по расчету потерь от влажности в ЦНД паровых турбин. Однако результаты этих исследований не отражают действительных потерь от влажности в натурных паровых турбинах. Постановка и методика экспериментальных исследований потерь от влажности не основывается на правильном представлении адиабатической конденсации, термодинамических и физических особенностей работы экспериментальной ступени при переходе с перегретого на влажный пар и не в состоянии, в силу этого, удовлетворительно решить эту важную задачу. Использование таких рекомендаций по определению потерь от влажности в турбостроении приводит к проектированию и работе современных паровых турбин в области влажного пара на неоптимальных условиях, заведомо с пониженной экономичностью. В результате этого не только не удается решить эту проблему, но и наносится значительный ущерб в виде перерасхода топлива на конденсационных ТЭС.

Кинетика адиабатической конденсации в проточной части турбины (количество центров фазообразования, интенсивность процесса, рост капелек жидкости и их распад, дисперсность и структура потока, мета-стабильность процесса) определяется как и при адиабатическом парообразовании величиной, характером и интервалом сброса давления. Поэтому вопрос создания высокоэкономичных турбин, работающих в области влажного пара, не может быть решен без изучения кинетики адиабатической конденсации и факторов, влияющих на нее в условиях взаимодействия потока с конструктивными элементами проточной части турбины. Современные исследователи потерь от влажности в паровых турбинах не стоят еще на таких позициях [1, 2]. Экспериментальные и теоретические исследования потерь от влажности осуществляются современными исследованиями в силу этого на искусственно получаемых во-

9

до-воздушных или водо-паровых смесях, результаты которых переносятся на работу ступеней в области влажного пара, — на процесс адиабатической конденсации. Механическая смесь, которую получают в воздушных турбинах путем впрыска воды в воздушный поток перед ступенью, не может быть отождествлена с процессом образования жидкой фазы при расширении влажного пара в паровых турбинах, при адиабатической конденсации — непрерывном изменении фаз, возникновении, росте и распаде капелек жидкости и т. п. Эта механическая водо-воздушная смесь по дисперсности потока, траекториям и скоростям движения капелек жидкости и т. п. не отражает подобные характеристики потока в натурных ступенях при адиабатической конденсации. Еще более широкое применение получили экспериментальные исследования потерь от влажности на водо-паровой смеси. Такая смесь получается охлаждением перегретого или насыщенного пара впрыском холодной воды через форсунки. Испарение' части жидкости при постоянном давлении доводит пар до нужной температуры. Содержание воды в паре (влажность) определяется как разность введенного количества и ушедшей в дренаж воды. Такая водо-паровая смесь также резко отличается от потока с адиабатической конденсацией в натурных ступенях. Размеры капелек жидкости, распределение их по сечению потока, скорости движения и взаимодействие с потоком пара в экспериментальных турбинах не моделируют и не отражают естественного процесса адиабатической конденсации. Установка сеток перед турбиной на пути движения водо-паровой смеси также не может приблизить эти разнородные процессы в экспериментальных турбинах и натурных ступенях. Поэтому нельзя распространять результаты исследований потерь от влажности в экспериментальных паровых турбинах на натурные ступени с адиабатической конденсацией пара [3].

Другим еще более существенным недостатком современных исследований потерь от влажности является ошибочность самой методики экспериментальных исследований в опытных турбинах. Согласно современной методике потеря от влажности в экспериментальных турбинах определяется путем сравнения к.п.д. при работе ее на перегретом и влажном паре или по результату изменения крутящих моментов при переходе с перегретого на влажный пар. Это различие к.п.д. или крутящихся моментов при переходе с перегретого на влажный пар всецело относится на потерю от капельной влажности (затрата энергии на дробление пленки и разгон капелек жидкости, потеря энергии от удара капелек о рабочие лопатки и от переохлаждения пара). При переходе ступени с перегретого на влажный пар происходит изменение физических и термодинамических свойств влажного пара: снижается теоретическая работоспособность влажного пара; возрастает его плотность, снижается скорость истечения, изменяется соотношение скоростей и т. п. по сравнению с соответствующими показателями перегретого пара, нерасчетными становятся конструктивные характеристики ступени, углы входные и выходные, кривизна лопаток и т. п. В результате действия только этих факторов работа ступени на влажном паре всегда будет иметь более низкие к.п.д. и величину крутящего момента относительно работы ступени на перегретом паре. Возможность проведения опытов в экспериментальных турбинах в одинаковых условиях для перегретого и влажного паров (сохранение равенства теоретических теплопадений, начального и конечного давления, плотности пара и т. п.) практически исключается ввиду несовместимости этих показателей. Это обстоятельство не дает возможности в экспериментальных исследованиях избежать снижения к.п.д, при переходе с перегретого на влажный пар по этой причине. Для учета этого различия в к.п.д. ступени при переходе с перегретого на влажный пар необходима разработка специальной методики по оп-

ределению потерь ступени от изменения физических и термодинамических свойств пара. При такой постановке опытов удастся в экспериментах определить истинное значение потери ступени от капельной влажности и отдельные составляющие этой потери. Однако такие экспериментальные данные также не могут рекомендоваться для проектирования паровых турбин ввиду несоответствия структуры и дисперсности потока , в экспериментальных турбинах с водо-воздушной или водо-паровой смесью с потоком влажного пара в натурных ступенях при адиабатической конденсации.

Другим важным вопросом, который необходимо решить при исследовании потерь от влажности, является учет или моделирование конструктивных характеристик экспериментальных и натурных ступеней. По этой причине результаты современных экспериментальных и теоретических исследований потерь от влажности также нельзя переносить на •натурные ступени без учета всего многообразия конструкций и условий работы натурных турбин; влажного пара.

Из этого краткого анализа современных/исследований потерь от влажности, в паровых турбинах очевидным становится неудовлетворительное состояние решения этой проблемы и непригодность, современных опытных и теоретических данных потерь от влажности для про-мышлености.

В качестве примера этому-могут служить исследования МЭИ потерь от влажности в паровых турбинах [4]. В [4] приведен анализ и даны рекомендации по определению потерь от влажности на основе многолетних экспериментальных исследований . с использованием мо-ментных характеристик ступеней, Этот метод экспериментальных исследований потерь от влажности, по мнению МЭИ, дал возможность получить качественное влияние * потерь энергии от влажности на экономичность паровых турбин. Измеряя величину крутящего момента,

/ и л \

особенно при заторможенном роторе — ===0 : , заключенном в плавало / ,

ющую втулку, при работе на перегретом паре вблизи линии насыщения (Мп) и на влажном паре (Мвл) в [4] получают потерю от влажности как отношение

Мп ^ Мол

Мп мп

или ■■■ . ■ ■ ■ ■

п

в л п п

7Ы = ^01 — Цо1

Относительный внутренний к.п.д. ступени определяется по этому методу из выражения

/ АМ \ /Щ\ /Ш\

\Ма)п Ып/р где АМ/Мп — пот.еря энергии на переохлаждение |ш *

(ДЛ4/МП)Р— потеря энергии на дробление пленки и разгон капель в осевом зазоре

(АМ/Мц)уД — потеря энергии от нерасчетного угла входа влаги на рабочие лопатки и сепарацию в периферийную зону

■ ■ ■■ £уд.

^ Структура этих формул и методика экспериментальных исследований построены на сопоставлении работы ступени на перегретом и влажном паре — по суммарному снижению крутящих моментов и к.п.д. ступени на влажном паре, считая это только результатом наличия

влаги в паре и ее взаимодействия с паром и конструктивными элементами ступени (|гь |р, |уД). При такой постановке исследований не предполагаются и совершенно не учитываются основные причины снижения крутящих моментов и к.п.д. ступени при переходе от перегретого к влажному пару вследствие изменения термодинамических и физических свойств влажного пара, о которых говорилось выше.

Используя те же экспериментальные данные [4], можно показать ошибочность современной методики исследований потерь от влажности и выводов о сущности и величине потерь от влажности в работе [4]. (табл. 1).

Таблица I

Снижение теплопадения, работоспособности и крутящих моментов ступени

при переходе с перегретого на влажный пар при -—■ =0, 'Е=Р1/Ро=0185

Со

Перегретый Влажный пар

Наименование величин пар Д*=34°С У1=1,8% у0=о% У! = 1,8% У0—2% У1==5,5% У0=4,3% У1=7,5% << ч: II II * *

1. Теоретическое телло-падение, Н0 ккал/кг 27,5 26,5 25.8 24,6 24,0

2. Относительное снижение работоспособное- ти (Н«-Н»л)/ьС % 0,0 3,67 6,20 10,5 12,7

3. Изменение крутящих моментов по [4] (Мп—Мвл)/Мп, % дг=20°с Уг-1,8% 1,8 « У0=4'% 6,0 У0=6% 8,5 Уо-7% 9,5 У0=7,6& 11,0

Относительное снижение работоспособности влажного пара при нулевой потере от капельной влажности (гр. 2 табл. 1) имеет ту же закономерность, что и снижение крутящих моментов в [4], определяемых в [4] только за счет капельной влажности £уд). (табл. 1 гр. 3).

Абсолютное расхождение работоспособности крутящих моментов при переходе от перегретого к влажному пару при неизменном отношении давления в ступени зависит от величины перегрева пара(Но К относительно которого производят сравнение работоспособности влажного пара. Расслоение кривых крутящих моментов в опытах МЭИ (рис. 1). для вращающегося ротора возрастает с увеличением влажности и отношения скоростей — . Это также объясняется в значительной степени

изменением работоспособности и физических свойств влажного пара, а не только ударным входом капелек жидкости на рабочие лопатки, как это представлено в [4]. При постоянной влажности пара У0 и Р\/Р<>

и ГЦ

с повышением— возрастает потеря на трение ступени [1] и, соотвег-С о

ственно, снижается крутящий момент ступени. При малой влажности

снижение крутящего момента становится неощутимым от — (точки С

С0

и Д на рис. 1) ввиду небольших скоростей вращения диска — малого различия потерь от трения диска. Снижение крутящего момента при переходе ступени с более перегретого на менее перегретый или насы-

щенный пар (рис. 1, точки В и С) всецело объясняется изменением работоспособности и физических свойств пара при работе ступени на паре более низкого потенциала без влагообразования. Снижение крутящего момента в [4] при переходе ступени с перегретого на влажный пар от величины перепада давления на сопловую решетку е=Р\/Р0

% /4 12 10 8 6 4 Z Мп л -м»* и I / i

• и /О» /

os

II C5

А с

ti Уо

X ío бо 4о го

i г

Рис. 1

6

также зависит от работоспособности перегретого пара, а не только от затраты энергии на разгон и дробление капель в осевом зазоре, как это представлено в [4]. Например, для влажности пара Уо = 9% при Р1/Ро = 0$% (Р1 = 0,5 ата, Яо = 0,55 ата) относительное снижение ра-

а ю

6

6

4 2 О

№

р.

e¿3¡.

У*

4

$

Рис. 2

А

ботоспособности влажного пара составляет около 30¡%L На соответствующую величину снижается крутящий момент ступени при работе ее на влажном паре. С увеличением величины отношения даваний на •ступень 8=0,4 (Я0=1,25 ara, Pi = 0,5 ara) при той же влажности па-

ра 9% снижение работоспособности влажного пара составляет только . 16|%1.. Расположение опытных кривых МЭИ (рис. 2) следует этой зависимости, полученной без учета потери на дробление и разгон капелек жидкости в осевом зазоре. Например для влажности пара в 9% при г=0,9 снижение крутящего момента АМ/МП равно 13%, а для е=0,4 и той же влажности — только 3,5%"* (фис. 2). Это снижение крутящих моментов в [4] полностью относится только на капельную влажность ер. Подобное относится к балансу потерь и снижению относительного внутреннего к.п.д. ступени при переходе с перегретого на влажный пар, приведенных в [4] (рис. 3), которые также не отражают действительных потерь от капельной влажности (|ц, §р, |уд). Более низкие значения влажного пара (кривая 2, рис. 3) объясняются прежде всего меньшей работоспособностью влажного пара при неизменном отношении давлений в ступени для перегретого и влажного пара.

Так, например, при г — 0,5 (Р0 — 1 ата, Р1 = 0,5 ата) теоретическая работоспособность кг перегретого пара Н £ составляет 28 ккал/кг (£0 = 145°С, 1Х = 80° С, X = 1,0), а влажного — 24 ккал/кг (Уо = 7%, Ух = 10%). При допущении равенства тепловых потерь в ступени при работе на перегретом и влажном паре в 5 ккал/кг относительный внутренний к.п.д. ступени для перегретого пара составит в этом случае 82%, а для влажного пара—-79%. С учетом более высоких потерь в ступени влажного пара [I ] различие в т)ог влажного и перегретого пара (кривая 2 и 1 рис. 3) будет более значительным. В этом же направлении действует увеличение влажности. Наряду с этим в [4] допущены явные неувязки баланса потерь, изображенного на рис. 3 с определением этих потерь в тексте работы [4]. Потеря на разгон и дробление жидкости

и

в осевом зазоре не зависит от — , и максимальное ее значение опреде-

С° и

лялось при заторможенном роторе при — = 0, а на рис. 3 эта же по-

Со

теря зависит от —. Потеря на переохлаждение пара в соплах в одном С0

и

случае также зависит от-'— при определении ее при заторможенном

70

60

$0

30

го

ю

7ы // ^ ! Ь

/< шу * Г/ ' / / V N

Мт А ЧР \-

У

1 1 й

45

0,1 0.2 яь 04 (Ц5 $6 О?

Рис. 3

роторе, а в другом случае — на рис. 3, эта потеря зависит от

и

Со

и при

Со

= 0, также оказывается равной нулю.

Сравнение к.п.д. ступени при работе на перегретом и влажном паре требует учета всех потерь как от капельной влажности, так и от изменения условий работы ступени в области влажного пара

вп

' п п — *Цо1

где = К

+ М-п

ДМ М

ДМ у (Ш\ /ДМ V

Мп /тр \мп}.

yдJ

+

п /рс \'г*п/тр \"Ап / нрд

(Ш\ ■

—— —изменение крутящего момента от О-Н0 I \МП /рс

снижения работоспособности влажного пара, —снижение кру-

тящего момента от увеличения потери на трение диска в паре, /ЛАП и .

--— от нережимных условии работы ступени на влажном паре,

\Ма )

ЛИТЕРАТУРА

1. С. В. Положим. К вопросу влияния• влажности пара на кл.д. турбинной ступени. Изв. вузов СССР, «Энергетика», № 7; 1962,

2. С. В. Положий. Еще раз к вопросу о влиянии влажности пара на к.п.д. турбинной ступени. Иэв. вузов СССР, «Энергетика», № 3, 1963.

3. С. В. Положий. К вопросу о кинетике процесса конденсации пара в турбинной ступени. Иэв. ТПИ, том .137, 1966.

4. М. Е. Дейч, Г. А. Филлипов, В. В. П р я х и н, О. А. П о в ар о в. Потери энергии, возникающие при течении влажного пара' в турбинной ступени. «Теплоэнергетика», № 12, 1966.