УСТРОЙСТВО СОПЛОВОГО ПАРОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ С ВЫНОСНОЙ КАМЕРОЙ СМЕШЕНИЯ
DEVICE OF MULTIPLE STEAM NOZZLE CONTROL OF STEAM TURBINE WITH AN EXTERNAL MIXING CHAMBER

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и призвано устранить все отрицательные последствия, присущие сопловому парораспределению. В современных паровых турбинах наибольшие распространение получило сопловое парораспределение, при котором имеется последовательность открытия ряда регулирующих клапанов по мере повышения мощности турбины. В этом случае дросселируется только та часть пара, которая проходит через частично открытый клапан, а потери давления в полностью открытых клапанах не превышают 5% от начального давления пара. Естественно, чем больше число регулирующих клапанов, тем меньшими оказываются потери давления при работе в условия переменных нагрузок. Однако, конструктивно сопловое парораспределение оказывается существенно более сложным, чем альтернативное чисто дроссельное парораспределение, когда все клапана открываются одновременно. Наиболее полно недостатки соплового парораспределения рассмотрены в [1] (Зарянкин А.Е., Зройчиков Н.А., Рогалев Н.Д., Рогалев А.Н., Митрохова О.М. «Влияние типа парораспределения на экономичность цилиндров высокого давления энергетических турбин». Вестник МЭИ 2015 №5 с. 5-10). Недостатки соплового парораспределения обусловлены усложненной конструкцией цилиндра высокого давления, так как пар от каждого клапана подводится к первой регулирующей ступени через несколько сопловых коробок. При использовании соплового парораспределения существенно усложняется конструкция цилиндра высокого давления (ЦВД), т.к. пар от каждого клапана подводится к первой (регулирующей) ступени через несколько (чаще всего четыре) сопловых коробки.
Для иллюстрации сказанного на фигуре 1 показан поперечный разрез по плоскости расположения регулирующих клапанов турбины Т-100-130 УТЗ (прототип, [2] Трухний А.Д. Стационарные паровые турбины, М: Энергоатомиздат, 1990 г.) На этой фигуре приняты специальные обозначения: 1 - корпус клапанной коробки, 2 - регулирующий клапан, 3 - сопловые коробки, 4 - паропроводы, подводящие пар к регулирующим клапанам. Кроме того, при сопловом парораспределении в конструкцию турбины приходится вводить специальную (регулирующую) ступень, работающую даже при открытии всех четырех клапанов с парциальным подводом пара, т.е. с подводом пара не по всей окружности рабочего колеса этой ступени. Таким образом, потери от дросселирования в регулирующих клапанах при сопловом парораспределении перенесены в потери регулирующей ступени и нерегулируемых ступеней ЦВД.
Отмеченные недостатки соплового парораспределения резко снижают практическую значимость этого способа парораспределения, широко распространенного на всех турбинах, работающих в режиме глубоких изменений вырабатываемой мощности, и в настоящие время вновь вырастает интерес к дроссельному парораспределению. В [1] (Зарянкин А.Е., Зройчиков Н.А., Рогалев Н.Д, Рогалев А.Н., Митрохова О.М. Влияние типа парораспределения на экономичность цилиндров высокого давления (ЦВД) энергетичеких турбин. Вестник МЭИ 2015 №5 с. 5-10) произведено экономическое сопоставление этих двух способов парораспределения на основании лабораторных и натурных испытаний.
oi
i
inom
На фигуре 2 показаны конечные результаты такого сравнения в виде зависимости кпд η ЧВД турбины К-200-130 ЛМЗ от безразмерной мощности , где N - текущая мощность, a N - расчетная мощность турбины. Здесь кривая 5 определяет зависимость  при учете только потерь от дросселирования в регулирующих клапанах, а кривая 6 соответствует аналогичной расчетной зависимости при использовании дроссельного парораспределения. Видно, что при половинной нагрузке турбины () кпд ЦВД рассматриваемой турбины снижается на 22% при использовании дроссельного парораспределения относительно соплового парораспределения. На основе приведенных двух зависимостей и сформировалось представление о явных преимуществах соплового парораспределения. Однако, если учесть последствия соплового регулирования на экономичность всех ступеней цилиндра высокого давления, то станет понятной экспериментальная зависимость 7 на фигуре 2, полученная на ряде однотипных турбин К-200-130 с сопловым парораспределением, где хорошо видно, что при нагрузках превышающих 75% от максимальной мощности, преимущество оказывается на стороне дроссельного парораспределения и только при  кпд ЦВД с сопловым парораспределением превышает на 3-5% кпд турбины с дроссельным парораспределением.
На основании проведенного анализа и прямых опытных данных техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в том, чтобы сохранить все преимущества соплового парораспределения и полностью ликвидировать все отмеченные недостатки такого решения, повысив тем самым кпд ЦВД на высоких нагрузках турбины на 2-3%, и приблизить реальную зависимость 7 на фигуре 2 к теоретической зависимости 5.
Поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве соплового парораспределения паровой турбины, содержащем расположенные перед цилиндром высокого давления стопорный клапан и ряд последовательно открывающихся регулирующих клапанов, расположенных на корпусе ЦВД и подводящих пар к регулируемой ступени и последующей камере смешения, после которой расположены нерегулируемые ступени ЦВД, цилиндр среднего давления паровой турбины, цилиндр низкого давления паровой турбины, электрогенератор, к выходу цилиндра низкого давления подсоединен конденсатор и конденсатный насос, согласно изобретению, камера смешения установлена перед ЦВД высокого давления, ее входы соединены с выходами регулирующих клапанов, а выходы из камеры смешения - с цилиндром высокого давления. Кроме того, камера смешения может быть снабжена сеткой-фильтром.
Предпосылками к решению указанной технической задачи является тот факт, что сейчас практически все регулирующие клапана, используемые на энергетических турбинах, уже отделены от корпусов турбин, и пар от вынесенных за пределы корпуса ЦВД регулирующих клапанов по внешним трубопроводам прямо подводится к сопловым коробкам регулирующей ступени. В этой ситуации сохранение сопловых коробок и сохранение регулирующей ступени является явным анахронизмом.
В силу сказанного логически и технически обоснованным является решение переноса камеры смешения пара из проточной части турбины в ее внешнюю часть, прямо соединив ее со всеми внешними регулирующими клапанами, и после смешения подводить свежий пар к первой ступени ЦВД. В этом случае автоматически отпадает необходимость в сопловых коробках и неэкономичных регулирующих ступенях, а подвод пара к ступеням проточной части конструктивно становится идентичным с системой дроссельного парораспределения при сохранении всех преимуществ соплового парораспределения. Соответственно, согласно предлагаемому изобретению, схема новой сопловой системы парораспределения должна быть такой, какая изображена на фигуре 3.
На фиг. 3 представлена схема предлагаемого устройства соплового парораспределения паровой турбины. Устройство содержит расположенные перед входом в цилиндр высокого давления паровой турбины стопорный клапан 8, ряд последовательно соединенных с ним первого 9, второго 10, третьего 11 и четвертого 12 регулирующих клапанов паровой турбины, выходы которых подсоединены к камере смешения 13, снабженной сеткой-фильтром 14, расположенной внутри нее. Выходы камеры смешения 13 соединены с цилиндром высокого давления 15 паровой турбины, содержащей цилиндр среднего давления 1, цилиндр низкого давления 17, на валу которого установлен электрогенератор 18. Выходы цилиндра низкого давления 17 подсоединены к конденсатору 19, снабженному конденсатным насосом 20.
0
Устройство работает следующим образом. Здесь после стопорного клапана 8, как и в прототипе (фигура 1), пар по четырем паропроводам подводится к четырем последовательно открывающимся клапанам 9, 10, 11, 12, осуществляя тем самым принцип соплового парораспределения, но после них он идет не к сопловому аппарату регулирующей ступени, а в выносную камеру смещения 13, где пар, проходящий через полностью открытые клапана смешивается с паром, который дросселируется в частично открытом клапане. Поскольку при таком решении камера смешения 13 не связана с габаритами корпуса 15 ЦВД турбины, то ее размеры могут быть выполнены такими, чтобы скорости пара внутри этой камеры не превышали 15-20 м/с. При таких скоростях гидравлическое сопротивление камеры при давлении пара 23,8 МПа и начальной температуре пара t=540°С не превышает 60 кПа - соответственно внутри камеры смешения 13 может быть установлена защитная сетка 14 с мелкими ячейками, играющая роль фильтра тонкой очистки пара. После камеры смешения 13 пар по двум паропроводам, как и при дроссельном парораспределении, поступает в головную часть ЦВД 15 к обычным ступеням мощной трехкорпусной (15, 16, 17) паровой турбины, после которой конденсируется в конденсаторе 19.
В случае практической реализации представленного изобретения по сравнению с существующей в настоящие время схемой соплового парораспределения при номинальной мощности турбины кпд ЦВД возрастает на 3-4% (чего нельзя достигнуть в современных энергетических турбинах никаким другим способом, а при снижении нагрузки на 50% от номинальной мощности повышение кпд ЦВД может достичь 10-15%. При этом важно отметить, что одновременно с существенным повышением экономичности ЦВД ликвидируются все отмеченные выше недостатки соплового парораспределения и, соответственно, повышается надежность работы турбины, увеличивается ее маневренность. По сравнению с дроссельным парораспределением представленная схема парораспределения обеспечивает существенное увеличение кпд ЦВД на всех сниженных нагрузках турбины.
Таким образом, предлагается принципиально новая схема соплового парораспределения, содержащая стопорный клапан и ряд последовательно открывающихся регулирующих клапанов, отличающаяся тем, что пар после регулирующих клапанов направляется не к сопловому аппарату регулирующий ступени, а к выносной камере смешения, внутри которой располагается сетка - фильтр, защищающая турбину от попадания в ее проточную часть окалин и других твердых фракций, и далее после камеры смешения пар, как и при дроссельном парораспределении подводится в головную часть турбины к ее первой ступени.
Источники информации
1. Зарянкин А.Е., Зройчиков Н.А., Рогалев Н.Д., Рогалев А.Н., Митрохова О.М., Влияние типа парораспределения на экономичность цилиндров высокого давления энергетических турбин. Вестник МЭИ, 2015 г., №5, стр. 5-10.
2. Трухний А.Д. Стационарные паровые турбины. М: Энергоатомиздат. 1990 (прототип)