Расчет паровой конденсационной турбины

Введение

Методические указания разработаны в учебных целях, могут быть использованы в укрупнённых и вариативных расчётах однопоточных, одноцилиндровых, конденсационных паровых турбин в диапазоне единичных мощностей 4…60 МВт и не рекомендованы для проектирующих организаций в качестве руководящих материалов.

Указания содержат подробный и полный алгоритм расчетов для выполнения курсового проекта на примере расчета однопоточной конденсационной турбины мощностью 50 МВт с параметрами острого пара 8,8 МПа и 535 °С.

Алгоритм включает определение конструкции турбины, количество нерегулируемых отборов, построение процесса расширения пара в hs-диаграмме, разработку схемы проточной части; подробный расчет двухвенечной ступени скорости с опредлением всех параметров и выбром типа профилей, детальный расчет первой и последней нерегулируемых ступеней; расчет на прочность рабочих лопаток последней ступени; расчет первой критической частоты вращения ротора; выполнение эскизов ступени скорости, крутки лопаток последней ступени, ротора турбины.

При подготовке методических указаний использованы материалы [1-8].

Приложения содержат минимально необходимые для выполнения расчёта материалы, а именно: технические характеристики некоторых турбин; профили и характеристики решеток; назначение и свойства сталей и, для примера, – продольный разрез турбин К-50 и К-6.

Расчет паровой конденсационной турбины

Исходные данные для проектирования формируются преподавателем индивидуально:

1. номинальная электрическая мощность, Nэ, МВт;

2. начальные параметры пара, Р0, бар (МПа); t0, °С;

3. давление отработавшего пара, рк, бар (кПа);

4. температура питательной воды, tпв, °С;

5. частота вращения, n, с-1;

6. схема системы регенерации, ПВД+Д+ПНД.

При формировании исходных данных следует обратить особе внимание на согласованность системы регенерации (по количеству и составу подогревателей) со значениями всех параметров.

Исходные данные для примера расчетов

номинальная электрическая мощность, Nэ 50 МВт
начальные параметры пара, Р0/t0 8,8/535 МПа/°С
давление отработавшего пара, рк 3,5 кПа
температура питательной воды, tпв 216 °С
частота вращения, n 50 с-1
схема системы регенерации 2 ПВД + Д + 3 ПНД

Расходы пара в отборах

Отбор Элемент R-системы Доля пара в группе Доля пара в отборе Расход пара в отборах
    от.ед от.ед т/ч кг/с
I ПВД 0,15   0,075 13,76 3,81
II ПВД+Д 0,15 0,075+0,0375 20,57 5,7
III ПНД   0,0375 6,84 1,9
IV ПНД   0,0375 6,84 1,9
V ПНД   0,0375 6,84 1,9
  å 0,3 0,3    


Часть 2. Предварительная оценка экономичности турбины

1. Коэффициент полезного действия двухвенечной регулирующей ступени

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru

Здесь Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru – поправочный коэффициент, рис.4 (для первого приближения считаем, что Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru , откуда следует Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru ); D – расход пара через ступень (D=G0=50,81 кг/с); р0 – давление перед соплами (см. часть 1, п.2, р0=8,4×106 Па); v0 – удельный объем перед соплами (по hs-диаграмме, таблицам состояния воды и водяного пара или программе WSPro, v0=0,0419 м3/кг).

2. Коэффициент полезного действия отсека (турбины)

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru

В этом выражении:

2.1. Средний расход пара через отсек (под отсеком понимают часть турбины или турбину в целом в зависимости от задачи, в данном случае – вся турбина без ступени скорости)

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru кг/с

Здесь и далее индекс «1» соответствует входной характеристике, а индекс «2» выходной.

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru Рис.4. Поправочный коэффициент на отклонение отношения скоростей Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru от оптимального значения

2.2. Средний удельный объем пара в отсеке

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru м3/кг

2.3. Располагаемый теплоперепад в отсеке

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru кДж/кг

2.4. Потери с выходной скоростью

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru

Здесь z – число ступеней в отсеке; a1=10…40° – угол выхода пара из сопл последней ступени (в первом приближении – меньшие значения для меньшего количества ступеней).

В данном примере относительные потери с выходной скоростью составили Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru .

3. Строят новый процесс расширения пара в турбине (рис.1.б), где учитывают потерю в ступени скорости и потерю в остальной турбине и уточняют схему проточной части, рис.3.

Процесс расширения пара пересекает линию насыщения. Это означает, что часть ступеней турбины, работающая в зоне влажного пара имеет ухудшенные характеристики, что обусловит более пологий угол наклона процесса расширения в этой части турбины, рис.1.в. На схеме проточной части отмечают зону ступеней, работающих во влажном паре. При таком условном разделении турбины на отсеки необходимо учесть наличие нерегулируемого отбора, который может совпадать с началом процесса насыщения, а начало отсека может находиться как выше линии насыщения, так и ниже неё.

Для данного примера 14 первых ступеней работают в зоне перегретого пара, а 7 последних ступеней представляют собой (с достаточной степенью условности) влажнопаровой отсек турбины.

При построении процесса расширения в общем случае определяют теплоперепады и другие термодинамические параметры в разных точках процесса.

3.1. Для ступени скорости

Принято Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru кДж/кг; рассчитано Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru . Тогда потеря в ступени составит

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru кДж/кг

3.2. Потеря для отсека турбины (в данном случае отсеком выступает вся остальная турбина) составит

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru кДж/кг

3.3. Энтальпия пара на входе в отсек турбины (за ступенью скорости), кДж/кг

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru

3.4. Энтропия пара на входе в отсек турбины (за ступенью скорости)

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru кДж/кг×К

3.5. Энтальпия пара на выходе из отсека турбины при изоэнтропийном процессе расширения, кДж/кг

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru

3.6. Энтальпия пара на выходе из отсека турбины в реальном процессе расширения (с учетом потерь), кДж/кг

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru

4. Уточняют внутренний относительный КПД отсеков турбины, работающих в условиях перегретого и влажного пара.

4.1. Внутренний относительный КПД отсека перегретого пара (2…14-я ступени в данном случае)

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru

В этом выражении:

4.1.1. Средний расход пара через отсек

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru кг/с

4.1.2. Средний удельный объем пара в отсеке

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru м3/кг

4.1.3. Располагаемый теплоперепад в отсеке

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru кДж/кг

4.2. Внутренний относительный КПД отсека влажного пара (15…21-я ступени в данном случае)

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru

Здесь Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru кДж/кг – располагаемый теплоперепад в отсеке; Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru – относительные потери с выходной скоростью (п.2.4, часть 2); Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru – относительная потеря от влажности пара

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru

5. Строят реальный процесс расширения пара в hs-диаграмме с учетом потерь в ступени скорости и в отсеках, работающих на перегретом и влажном паре, рис.1, в

При построении процесса расширения (аналогично п.3 данной части) определяют (при помощи hs-диаграммы, термодинамических таблиц или программы WSPro) теплоперепады и другие термодинамические параметры в разных точках процесса.

5.1. Некоторые параметры для отсека, работающего на сухом паре

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru кДж/кг – располагаемый теплоперепад отсека;

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru – внутренний относительный КПД отсека;

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru кДж/кг – потеря теплоты в отсеке;

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru кДж/кг – использованный теплоперепад в отсеке;

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru , кДж/кг – энтальпия пара на выходе из отсека (входе во влажнопаровой отсек)

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru

5.2. Некоторые параметры для отсека, работающего на влажном паре

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru кДж/кг – располагаемый теплоперепад отсека;

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru – внутренний относительный КПД отсека;

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru кДж/кг – потеря теплоты в отсеке;

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru , кДж/кг – энтальпия пара на выходе из отсека (входе во влажнопаровой отсек)

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru

Энтропия на входе в отсек

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru кДж/кг×К.

Энтальпия в конце изоэнтропийного процесса расширения, кДж/кг

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru

Энтальпия в конце реального процесса расширения, кДж/кг

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru

Использованный теплоперепад в отсеке

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru кДж/кг.

6. Использованный теплоперепад турбины

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru кДж/кг

7. Внутренний относительный КПД турбины

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru

8. Уточнённый расход пара на турбину

Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru кг/с, что > 50,81 (расчет по п.10, часть 1) более, чем на 3%.

Следовательно необходимо уточнить расходы пара в нерегулируемых отборах, табл.3.

Таблица 3

Заключение

Выполнен курсовой проект по расчету паровой однопоточной одноцилиндровой турбины.

В рамках расчета.

1. Определена конструкция турбины, количество нерегулируемых отборов, их параметры, проведена оценка экономичности, построен процесс расширения пара в hs-диаграмме, разработана схема проточной части. При этом турбина имеет 6 нерегулируемых отборов, 21-у ступень, в том числе одну двухвенечную ступень скорости при сопловом регулировании. Расход пара в голову турбины составляет 53,3 кг/с, а внутренний относительный КПД – 81%.

2. Выполнен детальный расчет двухвенечной регулируемой ступени скорости. Построен процесс расширения в hs-диаграмме, треугольники скоростей, определены все технические характеристики ступени, выбраны профили: С9012Б – сопловая решетка; Р2314А – первая рабочая решетка; Р2617А – поворотная решетка; Р3525А – вторая рабочая решетка. Высота лопаток 27, 30, 33 и 37 мм соответственно. Число лопаток. Внутренрий относительный КПД ступени составил 0,79, а внутренняя мощность – 13005 кВт. Выполнен эскиз формы профиля и проточной части ступени.

3. Выполнен детальный расчет первой нерегулируемой ступени. Построен процесс расширения, треугольники скоростей, определены все технические характеристики ступени, выбран профиль (С5515А – сопловая решетка и Р2314Ак – рабочая решетка), определена высота лопаток – 18 и 21 мм соответственно. Число лопаток.

4. Выполнен (укрупнено) расчет последней ступени отсека перегретого пара (15 ступень в примере расчета) для профилирования проточной части турбины и определена высота сопловых и рабочих лопаток – 136 и 140 мм соответственно.

5. Выполнен детальный расчет последней ступени турбины. Построен процесс расширения, треугольники скоростей в трёх сечениях ступени (у корня, в среднем сечении и у периферии), выполнен эскиз крутки лопаток последней ступени. Определен средний диаметр ступени (1611 мм) и другие характеристики. Выбран профиль: С9015Б – сопловая решетка; Р3525Б – рабочая решетка. Определена высота лопаток 500 и 520 мм соответственно. Число лопаток – 71 сопловых и 132 штук рабочих. Внутренний относительный КПД ступени составил 0,66, а ее внутренняя мощность 2609 кВт.

6. Выполнен расчет на прочность рабочих лопаток последней ступени. Определен материал лопаток – сталь 12Х13 – углеродистая жаропрочная хромистая сталь мартенситно-ферритного класса. Показано, что возникающие в лопатках напряжения (осевые и радиальные изгибающие и растягивающие от центробежных сил) составляют 201 МПа и не превышают допустимые в 257 МПа, определенные по временному пределу прочности sВ.

7. Определены характеристики проточной части турбины,выполнен эскиз ротора, его длина составила 5200 мм, а длина проточной части в осях лопаток первой и последней ступени 2600 мм. Масса ротора составила 15700 кг.

8. Проведен расчет первой критической частоты вращения ротора. Она составила 994 об/мин. Тепловой прогиб ротора составил 0,29 мм.

Литература

1. Щегляев А.В. Паровые турбины. – М.: Энергеия, 1976. – 368 с.

2. Трубилов М.А., Арсеньев Г.В., Фролов В.В. и др. Паровые и газовые турбины: Учебник для ВУЗов. Под ред. А.Г.Костюка. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 352 с.

3. Кирюхин В.И., Тараненко Н.М., Огурцова Е.П. и др. Паровые турбины малой мощности КТЗ. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 216 с.

4. Теплоэнергетика и теплотехника: Общие вопросы: Справочник / Под общ. Ред. Чл.-корр. РАН А.В.Клименко и проф. В.М.Зорина. – М.: Изд-во МЭИ, 1999. – 528 с.

5. Тепловые и атомные электрические станции: Справочник / Под общ. Ред. А.В.Клименко и В.М.Зорина. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 608 с.

6. Крохин Г.Д. Паровые и газовые турбины тепловых и атомных электростанций: Учебно-методическое пособие к курсовому проектированию. – Новосибирск: Изд=во НГТУ, 1998. – 186 с.

7. Шляхин П.Н., Бершадский М.Л. Краткий справочник по паротурбинным установкам. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. – 128 с.

8. Трухний А.Д. Стационарные паровые турбины. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 428 с.

Приложения

Приложение 1

Таблица 1

Профили решеток

Обозначение профиля* a1, b2, град. a0, b1, град. Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru aу, bу, град. Мопт
С-9009А 7-11 70-120 0,72-0,85 27-31 0,65-0,95
С-9012А 10-14 70-120 0,72-0,87 31-35 0,60-0,85
С-9015А 13-17 70-120 0,70-0,85 35-40 0,50-0,85
С-9018А 16-20 70-120 0,70-0,80 40-44 0,50-0,85
С-9022А 20-24 70-120 0,70-0,80 43-46 0,60-0,95
С-9038А 30-36 70-120 0,60-0,75 60-67 0,65-0,95
С-5515А 12-18 45-75 0,72-0,87 51-57 0,70-0,95
С-6035А 32-38 45-85 0,42-0,65 70-75 0,70-0,95
Р-2314А 12-16 20-30 0,60-0,75 75-80 0,75-0,95
Р-2617А 15-19 23-35 0,60-0,70 75-80 0,75-0,95
Р-3021А 19-24 25-40 0,58-0,68 77-81 0,70-0,90
Р-3525А 22-28 30-50 0,55-0,65 78-82 0,60-0,85
Р-4629А 25-32 44-60 0,45-0,58 75-80 0,55-0,85
Р-5033А 30-36 47-65 0,43-0,55 76-80 0,55-0,85
Р-2314Ак 12-16 20-30 0,60-0,75 75-80 0,70-0,95
С-9015Б 13-17 70-120 0,70-0,85 35-40 0,85-1,10
Р-2617Б 15-19 23-45 0,57-0,65 76-81 0,80-1,10
С-9008В 7-10 70-120 0,60-0,70 27-31 1,40-1,80
С-9012В 10-14 70-120 0,58-0,68 39-43 1,40-1,70
Р-2118В 16-20 19-24 0,60-0,70 86-89 1,30-1,60
Р-2729Б 26-33 25-35 0,42-0,50 84-88 0,95-1,30
Р-9025Б 22-28 70-120 0,55-0,72 41-46 0,90-1,20
Р-16017В 15-20 135-162 0,85-1,0 16-20 1,55-1,80

* Обозначения профилей: С – сопловые; Р – рабочие; первые две (три) цифры – расчетный угол входа потока, вторые две цифры – угол выхода потока; А – дозвуковые; Ак – дозвуковые для мвлых высот лопаток; Б – околозвуковые; В – сверхзвуковые

Таблица 2

Профили решеток МЭИ

Обозначение профиля a1, b2, град. a0, b1, град. Расчет паровой конденсационной турбины - student2.ru Мопт b, см f, см2 Jmin, см4 Wmin, см3
С-9009А 8-11 70-120 0,72-0,85 До 0,90 6,06 3,45 0,416 0,471
С-9012А 10-14 70-120 0,72-0,87 До 0,85 6,25 4,09 0,591 0,575
С-9015А 13-17 70-120 0,70-0,85 До 0,85 5,15 3,3 0,36 0,45
С-9018А 16-20 70-120 0,70-0,80 До 0,85 4,71 2,72 0,243 0,333
С-9022А 20-24 70-120 0,70-0,80 До 0,90 4,5 2,35 0,167 0,265
С-9027А 24-30 70-120 0,65-0,75 До 0,90 4,5 2,03 0,116 0,195
С-9033А 30-36 70-120 0,62-0,75 До 0,90 4,5 1,84 0,09 0,163
С-9038А 35-42 70-120 0,60-0,73 До 0,90 4,5 1,75 0,081 0,141
С-5515А 12-18 45-75 0,72-0,87 До 0,90 4,5 4,41 1,195 0,912
С-5520А 17-23 45-75 0,70-0,85 До 0,90 4,15 2,15 0,273 0,275
С-4525А 21-28 35-65 0,60-0,75 До 0,90 4,58 3,30 0,703 0,536
С-6030А 27-34 45-85 0,52-0,70 До 0,90 3,46 1,49 0,118 0,154
С-6520А 17-23 45-85 0,60-0,70 До 0,90 4,5 2,26 0,338 0,348
С-7025А 22-28 55-90 0,50-0,67 До 0,90 4,5 1,89 0,242 0,235
С-9012Б 10-14 70-120 0,72-0,87 0,85-1,15 5,66 3,31 0,388 0,420
С-9015Б 13-17 70-120 0,70-0,85 0,85-1,15 5,2 3,21 0,226 0,413
С-9012Р 10-14 70-120 0,58-0,68 1,4-1,8 4,09 2,30 0,237 0,324
С-9015Р 13-17 70-120 0,55-0,65 1,4-1,7 4,2 2,0 0,153 0,238
Р-2314А 12-16 20-30 0,60-0,75 До 0,90 2,59 2,44 0,43 0,39
Р-2617А 15-19 23-35 0,60-0,70 До 0,90 2,57 2,07 0,215 0,225
Р-3021А 19-24 25-40 0,58-0,68 До 0,90 2,56 1,85 0,205 0,234
Р-3525А 22-28 30-50 0,55-0,65 До 0,85 2,54 1,62 0,131 0,168
Р-4629А 25-32 44-60 0,45-0,68 До 0,85 2,56 1,22 0,071 0,112
Р-6033А 30-36 47-65 0,43-0,55 До 0,85 2,56 1,02 0,044 0,079
Р-6038А 35-42 55-75 0,41-0,51 До 0,85 2,61 0,76 0,018 0,035
Р-2314Ак 12-16 20-30 0,60-0,75 До 0,90 2,59 2,35 0,387 0,331
Р-2617Ак 15-19 23-45 0,60-0,70 До 0,90 2,57 1,81 0,152 0,165
Р-2717Б 15-19 23-45 0,57-0,65 0,8-1,15 2,54 2,06 0,296 0,296
Р-2717Бк 15-19 23-45 0,57-0,68 0,85-1,15 2,54 1,79 0,216 0,216
Р-3021Б 19-24 25-40 0,55-0,65 0,85-1,1 2,01 1,11 0,073 0,101
Р-3525Б 22-28 30-50 0,55-0,65 0,85-1,1 2,52 1,51 0,126 0,159
Р-2118Р 16-20 19-24 0,60-0,70 1,3-1,6 2,0 1,16 0,118 0,142
Р-2522Р 20-24 23-27 0,54-0,67 1,35-1,6 2,0 0,99 0,084 0,10

Таблица 3

Введение

Методические указания разработаны в учебных целях, могут быть использованы в укрупнённых и вариативных расчётах однопоточных, одноцилиндровых, конденсационных паровых турбин в диапазоне единичных мощностей 4…60 МВт и не рекомендованы для проектирующих организаций в качестве руководящих материалов.

Указания содержат подробный и полный алгоритм расчетов для выполнения курсового проекта на примере расчета однопоточной конденсационной турбины мощностью 50 МВт с параметрами острого пара 8,8 МПа и 535 °С.

Алгоритм включает определение конструкции турбины, количество нерегулируемых отборов, построение процесса расширения пара в hs-диаграмме, разработку схемы проточной части; подробный расчет двухвенечной ступени скорости с опредлением всех параметров и выбром типа профилей, детальный расчет первой и последней нерегулируемых ступеней; расчет на прочность рабочих лопаток последней ступени; расчет первой критической частоты вращения ротора; выполнение эскизов ступени скорости, крутки лопаток последней ступени, ротора турбины.

При подготовке методических указаний использованы материалы [1-8].

Приложения содержат минимально необходимые для выполнения расчёта материалы, а именно: технические характеристики некоторых турбин; профили и характеристики решеток; назначение и свойства сталей и, для примера, – продольный разрез турбин К-50 и К-6.

Расчет паровой конденсационной турбины

Исходные данные для проектирования формируются преподавателем индивидуально:

1. номинальная электрическая мощность, Nэ, МВт;

2. начальные параметры пара, Р0, бар (МПа); t0, °С;

3. давление отработавшего пара, рк, бар (кПа);

4. температура питательной воды, tпв, °С;

5. частота вращения, n, с-1;

6. схема системы регенерации, ПВД+Д+ПНД.

При формировании исходных данных следует обратить особе внимание на согласованность системы регенерации (по количеству и составу подогревателей) со значениями всех параметров.

Исходные данные для примера расчетов

номинальная электрическая мощность, Nэ 50 МВт
начальные параметры пара, Р0/t0 8,8/535 МПа/°С
давление отработавшего пара, рк 3,5 кПа
температура питательной воды, tпв 216 °С
частота вращения, n 50 с-1
схема системы регенерации 2 ПВД + Д + 3 ПНД

Наши рекомендации