Способы регулирования мощности паровых турбин

На мощность турбины влияют следующие факторы:

• расход пара через турбину;
• начальные параметры (давление и температура) пара перед турбиной;
• конечные параметры пара за турбиной (параметры пара в главном конденсаторе).

Регулировать мощность паровой турбины можно изменением любого из этих параметров. При этом возможно осуществление:

• качественного регулирования, при котором мощность турбоагрегата регулируется за счет изменения начальных параметров пара (давления и температуры) при постоянном его расходе через проточную часть;
• количественного регулирования, при котором мощность турбоагрегата регулируется за счет изменения расхода пара через проточную часть без изменения его начальных параметров перед турбиной;
• смешанного регулирования, представляющего собой комбинацию качественного и количественного регулирования.

Качественный, количественный и комбинированный способы регулирования мощности паровой турбины могут быть осуществлены на практике с помощью следующих мероприятий:

Дроссельное регулирование осуществляется путем изменения степени открытия маневрового клапана – МК перед турбиной (рис. 62), и является простейшим способом регулирования. Максимальная мощность турбины может быть получена при полностью открытом маневровом клапане. При этом проходное сечение клапана максимально и в турбине срабатывается максимально возможный теплоперепад – H_a . Для уменьшения мощности турбины маневровый клапан закрывают. При частично закрытом маневровом клапане в зазоре между клапанной тарелкой и седлом клапана происходит дросселирование пара, которое тем больше, чем больше степень закрытия клапана. Давление пара при этом снижается от значения p₀ до маневрового клапана до некоторого значения p_МК после маневрового клапана при неизменном расходе пара через него. Процесс дросселирования происходит при постоянной энтальпии (i = const , линия А₀ -А₀ на диаграмме), тепловая энергия при этом не расходуется, но способность ее превращаться в механическую работу снижается. Происходит так называемое явление обесценивания теплоперепада. При этом в турбине срабатывается теплоперепад Н_а меньший по значению, чем теплоперепад при полностью открытом клапане Н_а.

Отношение теплоперепадов, срабатываемых в турбине при дросселировании пара в маневровом клапане и без него, называется коэффициентом дросселирования:

Дроссельное регулирование относится к качественному способу регулирования, так как при этом происходит изменение параметров пара перед первой ступенью турбины без изменения его расхода через проточную часть. Основным преимуществом дроссельного способа является его простота, поэтому обычно он используется для регулирования мощности турбоприводов вспомогательных механизмов и турбин заднего хода.

Сопловое регулирование осуществляется изменением числа и комбинации полностью открытых сопловых клапанов и относится к количественному способу регулирования. Весь сопловый аппарат турбины разделяется на группы сопл с индивидуальным подводом пара к каждой группе через свой сопловый клапан – СК (рис. 63.а). При сопловом регулировании изменяется количество работающих сопл и, следовательно, расход пара через проточную часть, при неизменных параметрах пара перед первой ступенью турбины.

Каждая группа сопл рассчитана на определенное фиксированное значение расхода пара: 10, 20, 30 и 50 % от максимального. Комбинируя сочетания работающих групп сопл можно ступенчато, с шагом в 10 %, изменять мощность турбины от 10 до 110 %. Сопловый способ регулирования является более экономичным, чем дроссельный, но не позволяет получить достаточно плавную кривую изменения мощности. Плавность регулирования мощности при сопловом способе регулирования можно обеспечить увеличением количества групп сопл и уменьшением количества сопл в каждой группе, но при этом значительно усложняется система управления турбоагрегатом и конструкция маневрового устройства. Обычно в конструкциях судовых паровых турбин используют не более 3 ÷ 6 групп сопл. Сопловый способ регулирования применим только для активных турбин, или турбин, у которых в качестве первой (регулировочной) ступени применена ступень активного типа.

Дроссельно-сопловое регулирование является смешанным видом регулирования мощности паровой турбины, сочетающим в себе количественное (сопловое) регулирование на основных режимах работы и качественное (дроссельное) – на промежуточных (рис. 63.б).

От маневрового устройства пар по паропроводу направляется непосредственно в нижнюю группу сопл. Регулирование мощности турбины от 0 до 50 % производится только за счет дросселирования пара в маневровом устройстве – МУ. При увеличении мощности турбины от 50 до 100 % вступают в работу сопловые клапаны СК. Путем сочетания открытых сопловых клапанов и частичного дросселирования пара в МУ можно добиться плавной кривой изменения мощности турбины.

В некоторых установках, с целью упрощения системы управления сопловыми клапанами, их открытие осуществляется последовательно от одного приводного механизма: каждый последующий сопловый клапан начинает открываться только после полного открытия предыдущего. При этом дросселирование пара происходит только в частично открытом сопловом клапане, а через полностью открытые клапаны к соплам турбины поступает пар полных параметров. Такой способ регулирования получил название дроссельно-соплового регулирования с блокированными сопловыми клапанами.

Регулирование переменными параметрами пара предполагает изменение мощности паровой турбины за счет изменения параметров пара, вырабатываемого главными котлами. При этом возможны следующие варианты использования переменных параметров пара в котлах (рис. 64):

• ступенчатые параметры пара (рис. 64.а). Главные паровые котлы имеют несколько фиксированных значений параметров пара. Каждой ступени давления пара соответствует свой диапазон значений мощности турбины и, соответственно, диапазон скорости хода судна. На участках постоянного давления пара регулирование мощности турбины осуществляется сопловым, дроссельным или дроссельно-сопловым способом;
• скользящие параметры пара (рис. 64.б). При таком способе регулирования каждому значению мощности турбины и скорости хода судна соответствует определенное значение давления пара, вырабатываемого главными котлами. Этот способ является наиболее экономичным, но маневренность установки полностью зависит от маневренных качеств главных котлов. Второй особенностью данного способа регулирования является то, что снижение давления пара в главных котлах возможно до некоторого минимального значения, обеспечивающего устойчивую работу вспомогательных механизмов энергетической установки, имеющих турбинный привод;
• полускользящие параметры пара (рис. 64.в). При таком способе регулирования мощности всем ходам судна в диапазоне от «СТОП» до определенного уменьшенного хода соответствует фиксированное пониженное значение давления пара в главных котлах. При этом управление турбиной производится сопловыми клапанами (сопловый или смешанный способы регулирования). После полного открытия сопловых клапанов дальнейшее развитие хода судна осуществляется плавным повышением давления пара в главных котлах.

Обводное регулирование применяется при наличии в составе турбоагрегата ступеней экономического хода (рис. 51). На режимах малых ходов судна пар последовательно проходит через проточные части ступеней экономического и полного хода. Увеличение мощности ГТЗА осуществляется постепенным уменьшением расхода пара на ступени экономического хода (вплоть до полного их отключения) за счет открытия байпасных клапанов, перепускающих пар помимо ступеней экономического хода на ступени полного хода. В зависимости от расположения ступеней экономического хода в проточной части турбины различают регулирование с внутренним и с внешним обводом пара (рис. 51).

В современных КТЭУ регулирование мощности главных турбин чаще всего производится комбинированным способом:

• на режимах малых ходов применяется дроссельно-сопловое регулирование при поддержании постоянных пониженных параметров пара в главных котлах;
• на режимах увеличенных ходов применяется дроссельно-сопловое регулирование в сочетании с обводным регулированием за счет перепуска части пара помимо ступеней экономического хода на ступени полного хода, при поддержании постоянных пониженных параметров пара в главных котлах;
• после полного открытия сопловых и байпасных клапанов дальнейшее развитие хода осуществляется плавным повышением параметров пара в главных котлах.

Литература

Судовые энергетические установки. Котлотурбинные энергетические установки. Болдырев О.Н. [2004]

• Схема дизельной установки: механизмы и устройства
• Требования к судовым дизелям: конструкции деталей
• Дейдвудное устройство: подшипники, трубы, сальник
• Системы дизельных энергетических установок
• Конструкция основных элементов паровых турбин