Ерёмин Б.М. "Турбины с противодавлением и как обеспечивается промышленная безопасность при их использовании"

Ерёмин Борис Михайлович,
технический директор АНО «ДИЭКС»

Турбины с противодавлением и как обеспечивается промышленная безопасность при их использовании

В работе подробно описывается принцип работы турбины с противодавлением, предлагаются формулы по определению необходимых параметров и указываются требования промышленной безопасности при ее использовании.

В профессиональном мире под турбинами понимают ротативный тепловой двигатель, который способен беспрерывно преобразовывать тепловую энергию рабочего вещества в механическую. Такая турбина состоит из двух составляющих:

• Ротор — вращающаяся часть.                                           

• Статор — неподвижная часть.                                        

Чтобы работа турбины была возможна необходимо, чтобы соблюдалось одно главное условие — наличие разности в давлениях между рабочими лопатками и сопловым аппаратом.

В современных энергетических системах турбины с противодавлением работают не отдельно от конденсационных, а параллельно с ними. В этом случае турбина противодавления вырабатывает то количество энергии, которое определяется расходом пара. Нет необходимости устанавливать на одном объекте конденсационные турбины, достаточно, чтобы оба вида агрегатов были включены в единую сеть. К сожалению, мощность турбины с противодавлением определена нагрузкой потребителя, что существенно ограничивает область их использования.

Устанавливать такое оборудование стоит там, где оно сможет работать с постоянной нагрузкой, к примеру, в северных районах, когда тепловое потребление практически не прекращается. Если рассматривать с конструкционной стороны разницу между конденсационной турбиной и с противодавлением, то в последней нет ступеней, работающих в области низкого давления.

Графически изобразить схему установки турбины с противодавлением можно следующим образом:

1 — турбина с противодавлением;                                                 

2 — конденсационная турбина;                                                      

3 — редукционно-охладительная установка.                                  

В нашем случае пар выходит из парогенератора с Р₀ давлением, затем идет в турбину, здесь наблюдается его расширение до давления Р_п. далее пар отправляется в сетевые подогреватели, а отсюда к потребителю тепла. Если говорить о промышленных целей, то пар используется с давлением от 0,4 до 0,7 МПа, а в некоторых случаях и до 1,8 МПа.

Мощность используемой турбины можно рассчитать по формуле:

Р_э=GH₀Ƞ_оэ

где G — расход свежего пара;

H_{0 —} располагаемый теплоперепад;

Ƞ_оэ — относительный электрический КПД, равный отношению электрической мощности к мощности идеальной турбины.

Именно потому, что Ƞ_оэ при неизменных процессах зависит от пропуска пара сквозь турбину, мощность будет определяться исключительно из расхода пара, проходящего через нее.

Использование этого типа оборудования совместно с конденсационным связано с тем, что работая изолированно турбины с противодавлением не могут обеспечить одновременно потребителя электроэнергией и теплом. при совместной работе ответственность за электроэнергию в большей степени берет на себя компенсационное оборудование.

Как правило, давление пара в данном случае приходится поддерживать все время постоянным. Уравнение расходов, которое будет связывать противодавление и тепловую нагрузку, в данном случае будет иметь вид:

  V        dP

____  ____ = G₁-G₂

 RT       dt

где V — емкость паропровода, ведущего от турбины к тепловому потребителю;

G₁ — секундный расход пара, проходящего через систему регулирующих клапанов турбины;

G₂ — секундный расход пара, отводимый к потребителю;

P и T — давление и температура отработавшего в турбине пара.

Наше уравнение демонстрирует что давление отработавшего пара будет неизменным лишь тогда, когда количество пара прошедшего через турбин G_1,у, равно количеству пара поступающему к потребителю G₂. Если G₁>G₂, то dP/dt>0, то есть давление растет и наоборот, если G₁<G₂, то dP/dt<0, и давление понижается.

Собственно становится понятно, что всякое нарушение равенства приводит лишь к одному результату — изменению давления. Можно сделать так, чтобы турбина противодавления во время работы автоматически поддерживала расход пара. Для этого необходимо оснастить ее не только регулятором скорости, но и давления.

Система регулирования будет полностью зависеть от регулятора и лишь тогда, когда произойдет отключение агрегата и генератор полностью разгрузиться вступит в работу регулятор скорости.

Промышленная безопасность требует подбирать конструкцию турбин в соответствии с объемом пропуска пара, с которым должно справляться оборудование. Принимают во внимание и график нагрузки.

Если учитывать конструкционные особенности этого типа оборудования, то можно откинуть все сложности с проектированием лопаток для больших объемом пропуска пара. Даже агрегаты, которые используют для массового расхода высота лопаток умеренная. Стоит помнить, что чем больше будет отношение давлений Р₂/Р₀>0, где Р₀ —давление свежего пара, Р₂ — давление в выходном патрубке, тем сильнее сказывается потеря пара в регулирующем клапане при недогрузке оборудования.

Поскольку в ТПД отношение Р₂/Р₀ велико, дроссельное парораспределение применять не рекомендуется. Чем выше Р₂/Р₀, тем большее число клапанов необходимо устанавливать.

Важно отметить, что использование соплового распределения еще не оправдывает характер экономичности при полной нагрузке турбины. Коэффициент полезного действия ТПД при недозагрузке лучше сохраняется при большем теплоперепаде для регулирующей степени. Если имеется идеальное парораспределение, то и перепад ступни будет постоянным независимо от нагрузки, а следовательно отношение скоростей тоже не меняется U/С_ф, U — окружная скорость рабочей решетки U= Wd/2.

Где W — угловая скорость рабочих лопаток;

d — диаметр ступени;

С_ф — фиктивная скорость.

Использование установок с одной степенью стало востребовано с агрегатами, у которых небольшие теплоперепады, работающих в условиях большой переменной нагрузки. Если необходима в условиях создания котельных турбина с большой мощностью, устанавливать такое оборудование нельзя, одной ступни может быть недостаточно. Если мы будем говорить конкретно о производственных мощностях, то там чаще всего используется одна регулируемая ступни и последующие нерегулируемые. Получается, что многоступенчатая конструкция одна из наиболее безопасных и востребованных в промышленных масштабах.

В рамках таблицы можно рассмотреть параметры комбинированной установки для мини-ТЭЦ, которая состоит из нескольких котлов ДКВр и ДЕ, бутанового контура и противодавленческой турбины.

Вопрос обеспечения необходимого уровня промышленной безопасности на промышленных объектах с турбинами противодавления стоит остро. Первое, что требуется от руководства — разработка местных инструкций по эксплуатации оборудования, с подробным изложением правил остановки, пуска, ввода в ремонт. Персонал проходит аттестацию по предотвращению и устранению возможных аварий в момент использования агрегата.

В рамках требований промышленной безопасности есть несколько дефектов, которые в обязательном порядке устраняются перед запуском турбины. Среди них можно назвать:

• Неисправность или полное отсутствие основных приборов, отвечающих за контроль теплового процесса. Сюда входят: термометры, манометры, тахометры и другое оборудование.

• Если неисправна система смазки, то есть перед запуском обязательно проводится полный осмотр маслоблока.

• Неисправности в системе защиты по контурам, отвечающим за прекращение подачи пара в турбину. Важно проверять перед запуском всю цепочку, начиная от датчиков и заканчивая запорной арматурой.

• Если неисправна система регулирования.

• В случае, если валоповоротное устройство не работает. При подаче пара на ротор, который не двигается, может произойти его изгиб.

По правилам промышленной безопасности особое внимание уделяется технологии запуска турбины. Она будет зависеть от ее температурного состояния, если меньше 150 градусов, то принято считать, что агрегат запускается из холодного состояния. Требуется не меньше трех суток после остановки.

Пуск из горячего состояния производится, когда температура 400 и выше градусов. Если температура находится между 150 и 400 градусов, такое состояние называют неостывшее. Основной принцип безопасности, который важно использовать при запуске — не навреди.

Использование, ремонт, запуск и иные действия относительно турбин с противодавлением должны производиться в соответствии с имеющимся законодательством и нормативами. Обязательно принимают во внимание следующие документы:

• ФЗ № 116.                                                                          

• ГОСТ 3618-82.                                                                 

• ГОСТ 23269-78.                                                            

В процессе пуска обязательно должны соблюдаться три этапа:

• Подготовительный.                                                              

• Период разворота с повышением числа оборотов до 3000 в минуту.      

• Синхронизация с последующим нагружением.  

На подготовительном этапе проверяется состояние всего имеющегося оборудования, исправность приборов, отсутствие видимых дефектов, нарушений герметичности. Особое внимание уделяется работе сигнализирующих устройств.

Паропровод подогревается в течение 1,5 часа, в это время подготавливают раствор в конденсатор и проверяют маслонасос. После обращают внимание на системы защиты и регулировки, в том числе задвижки. Важно, чтобы перед стопорным клапаном не было давления пара. После набора вакуума вводится в эксплуатацию автомат безопасности, происходит открытие дренажей.

Во время эксплуатации турбины руководитель должен строго следить за тем, чтобы обслуживание и ремонт агрегата мог проводить только квалифицированный персонал с соответствующими навыками и знаниями. Чтобы работа такого агрегата была максимально безопасной важно соблюдать ряд требований:

• Постоянный контроль параметров пара.                                         

• Недопущение перегрева подшипников.                                             

• Регулирование системы смазки.                                                

• Проводить мероприятия по предотвращению образования заноса солей, которые содержатся в паре.

• Тщательный контроль и уход за системами защиты и регулирования.

• Тщательный и регулярный осмотр узлов, крепежных элементов, стыков, соединений.

• Согласно ПТЭ в установленные инструкцией сроки необходимо проводить испытания обратных и регулирующих клапанов.

•  После ремонта, монтажа оборудования оно обязательно проходит испытания.

• При перевооружении или после окончания нормативного срока использования турбины обязательно проводится экспертиза промышленной безопасности.

Конечно, это далеко не все мероприятия позволяющие обеспечить должный уровень безопасности на объектах, где используют турбины противодавления.

Не только эксплуатация, но и остановка такого оборудования требует соблюдения требований безопасности. Во время остановки важно попытаться сохранить температуру металла как можно выше, а перед ней разгрузить оборудование с отключением отборов.

После снижения нагрузки на 15% прекращают последующую подачу пара. В этот момент оборудование начинает вращаться электрической цепью, то есть генератор начинает работать как двигатель. Чтобы хвостовая часть не перегрелась важно проверять закрытие стопорных и регулирующих клапанов. После этого отключают генератор.

Если вдруг на ваттметре имеется нагрузка, значит, в турбину все еще поступает пар, а это говорит о наличие неплотности или зависании клапанов. В этом случае отключать генератор строго воспрещается, потому что и того пара может быть достаточно для разгона турбины. Срочно нужно закрыть паровую задвижку, потом обстучать клапаны и убедиться в том, что подача пара была полностью прекращена.

Уже после того, как турбина начинает работать на холостом ходу важно, соблюдая инструкцию, провести необходимые исследования. Особенно специалисты уделяют внимание выбегу ротора, при котором частота вращения должна быть нулевой. Это важный показатель, по которому часто прослеживают качество работы турбины. В обязательном порядке снимается кривая этого показателя с зависимостью вращения от времени. Если выявлены отклонения их обязательно устраняют.

Список литературы:

1.      ФЗ № 116 «О промышленной безопасности».

2.      ГОСТ 3618-82 «Турбины паровые стационарные для привода турбогенераторов типы и основные параметры».

3.      ГОСТ 23269-78 «Турбины стационарные паровые. Термины и определения».