IV. Выбор начальных и конечных параметров пара

Как выбираются начальные параметры пара на ТЭС, чем они ограничены? Что такое равнопрочные начальные параметры пара? Каковы начальные параметры пара в отечественной теплоэнергетике?

На ТЭС на органическом топливе используется цикл перегретого пара, а на АЭС с реакторами на тепловых нейтронах (РТН) – цикл насыщенного пара. Это связано с тем, что в РТН в качестве основного конструкционного материала активной зоны используются сплавы на основе циркония. Они позволяют уменьшить вредное поглощение нейтронов по сравнению с различными марками сталей, но выдерживают температуру не более 340-350 ^оС. Это меньше критической температуры водяного пара, равной примерно 374 ^оС, а при докритических параметрах КПД цикла насыщенного пара больше, чем цикла перегретого пара (рис. 7).

Т, К

Рис. 7. Цикл Ренкина на насыщенном (сплошные линии) и перегретом (пунктирные линии) паре при докритических начальных параметрах пара

Начальные параметры пара – это его давление P _o и температура T _o на входе в турбину. Отметим, что для цикла насыщенного пара можно выбирать только начальное давление, поскольку давление насыщения однозначно определяет температуру рабочего тела.

Повышение начальных параметров пара является одним из главных способов увеличения термического КПД цикла.

Чем выше принимаемая начальная температура, тем ниже должно быть давление - по условию надежности металла. Парные значения P _o и T _o, обеспечивающие одинаковую прочность энергооборудования, называются равнопрочными начальными параметрами рабочего тела.

При выборе начального давления пара принимают во внимание следующие факторы:

- увеличение начального давления пара до уровня примерно 30 МПа приводит к заметному повышению термического КПД цикла Ренкина, дальнейший рост P _o слабо влияет на η _t и даже приводит к его уменьшению при очень высоких давлениях (рис. 8, 9);

- с ростом P _o происходит уменьшение η_{о i} из-за повышения конечной влажности пара (рис. 10);

- при повышении P _o плотность пара увеличивается и, следовательно, высота лопаток уменьшается, что ведет к снижению η_{о i} вследствие роста относительных потерь, обусловленных проходом пара через зазоры в турбинной ступени (т.е. концевых потерь);

- чем выше P _o, тем меньше размеры агрегатов (в связи с более высокой плотностью рабочего тела), но металлоемкость оборудования в целом возрастает из-за увеличения толщины стенок (для обеспечения прочности).

i,

линия насыщения

S,

Рис. 8. Зависимость адиабатического теплоперепада от начального давления

Поскольку рассмотренные выше факторы оказывают неоднозначное влияние на выбор начального давления, оптимальная величина P _o определяется на основе технико-экономического анализа. В результате этого в настоящее время в отечественной теплоэнергетике начальное давление для турбоустановок с промперегревом составляет, как правило, 23,5 МПа (240 атм), а при отсутствии промперегрева – 12,75 МПа (130 атм).

Теперь обратимся к выбору начальной температуры пара на ТЭС. Из рис. 11 видно, что с ее ростом η _t все время увеличивается. Но величина T _o

30 50

Рис. 9. Зависимость термического КПД цикла Ренкина от начального давления

Рис. 10. Зависимость конечной влажности пара от начального давления

ограничена термической стойкостью конструкционных материалов: стали перлитного класса выдерживают температуру до 540 ^оС, нержавеющие стали - 600-650 ^оС. В связи с этим начальная температура пара на современных ТЭС составляет в настоящее время 540 ^оС.

Отметим также, что повышение T _o ведет и к увеличению η_{о i} по следующим причинам:

- с ростом начальной температуры пара снижается его конечная влажность (рис. 11);

Рис. 11. Влияние начальной температуры пара на термический КПД цикла Ренкина и конечную влажность пара

- возрастание T _o приводит к снижению плотности рабочего тела, а ранее было показано, что это увеличивает высоту лопаток и тем самым уменьшает концевые потери в проточной части турбины.

В заключение назовем основные этапы роста начальных параметров пара на отечественных электростанциях:

- давление 3,5 МПа и температура 435 ^оС; таких турбоустановок, где применяется углеродистая сталь, практически не осталось;

- 8,8 МПа (90 атм) и 535 ^оС; данная температура близка к предельно допустимой для сталей перлитного класса; оборудование с такими параметрами пока еще встречается на электростанциях, но является сильно устаревшим;

- 12,75 МПа и 540 ^оС; переход от 8,8 МПа/535 ^оС к 12,75 МПа/540 ^оС позволил уменьшить удельный расход теплоты на 12-14%;

- 23,5 МПа и 540 ^оС; увеличение параметров с 12,75 МПа/540 ^оС до 23,5 МПа/540 ^оС дает экономию теплоты еще примерно 4-5%;

- при использовании нержавеющих сталей возможно дальнейшее возрастание начальных параметров, например, до 30 МПа/650 ^оС, что позволяет еще на 4-5% повысить тепловую экономичность.

К каким последствиям может привести чрезмерная влажность пара в турбине? Что такое сопряженные начальные параметры пара? Почему современные турбины без промперегрева имеют начальное давление пара не выше 12,75 МПа?

Влажность пара ω означает массовую долю воды во влажном паре, а сухость пара х = 1 - ω. Например, для сухого насыщенного пара ω = 0, х = 1 (или 100%). Чрезмерная влажность пара может привести к повышенной эрозии турбинных лопаток, т.е. к механическому износу вследствие соударения капелек влаги с металлом. Особенно это опасно для лопаток последней ступени турбины, поскольку концевые части этих лопаток имеют максимальную окружную скорость. В связи с этим величина конечной влажности пара ω_к не должна превышать предельно допустимых значений – например, 12-14% для атомных турбин насыщенного пара.

Из рисунков 10 и 11 видно, что увеличение начального давления и начальной температуры оказывает противоположное влияние на ω_к. Следовательно, существует бесконечное множество парных значений P _o и T _o, обеспечивающих допустимую конечную влажность пара (рис. 12) –

Рис. 12. Сопряженные начальные параметры пара

например, 20 МПа и 600 ^оС. Такие параметры начального давления и начальной температуры называются сопряженными начальными параметрами пара.

Поскольку максимально допустимая начальная температура пара на отечественных ТЭС сейчас составляет 540 ^оС, то можно определить сопряженное с этой температурой начальное давление пара на входе в турбину: P _o = 12,75 МПа (130 атм). Это наибольшее давление, при котором еще не превышается допустимая конечная влажность. Дальнейшее увеличение начального давления сверх сопряженного значения требует наличия промперегрева пара.