Poglavlje 7 REGULISANJE OPTEREĆENJA PARNIH TURBINA ZA KOMBINOVANU I KOGENERACIJSKU PROIZVODNJU ELEKTRIČNE I TOPLOTNE ENERGIJE 7.1. RAD TURBINE U PROMJENLJIVOM REŽIMU RADA I KONUS PROTOKA PARE, 97 7.1.1. O uzrocima promjenljivosti režima rada turbine Projektovanje i izgradnja parnih turbina vrši se za jedan računski ili nominalni režim rada u kome to energetsko postrojenje radi najduži vremenski period u svom životnom vijeku, te u tom režimu ima najveći stepen iskorišćenja odnosno najmanju specifičnu potrošnju pare ili toplote po jedinici proizvoda (npr. kj/kwh ili kg/kwh ili kj/gj). Znači, vrši se izbor profila i geometrijskih karakteristika usmjeravajućih i radnih rešetaka, kao i odgovarajućeg materijala za jedan najekonomičniji proračunski (nominalni) režim rada: polazni parametri i protok (potrošnja) svježe pare, potrošnja i protoci na regulisanim i neregulisanim oduzimanjima pare, raspoloživi toplotni padovi, broj obrtaja i sl. Za ovaj režim rada određuju se brzine strujanja pare, definišu trouglovi brzina, određuju se stepeni reakcije, biraju profili usmjeravajućih (sprovodnih) i radnih rešetki, stepeni korisnosti stupnjeva i turbine u cjelini, kao i drugi pokazatelji rada turbinskog postrojenja. Parne turbine ne rade uvijek sa konstantnim nominalnim Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije 317
opterećenjem niti sa konstantnim ostalim parametrima. Postoji nekoliko osnovnih uzroka zbog kojih turbina radi u promjenljivom režimu rada: 1) Ako turbina pogoni električni generator u elektroenergetskom sistemu, onda odlučujući uticaj na njen režim rada ima nestabilnost opterećenja energetskog sistema. 2) Načini eksploatacije mogu usloviti da turbina značajan dio vremena radi sa promjenljivim protocima pare kroz turbinu: - za vrijeme puštanja u rad i zaustavljanja turbinskog (blokovskog) postrojenja; - odstupanja početnih (pritisak i temperatura pare na ulazu) i konačnih parametara pare usljed tehnoloških problema u pogonu, kao što su poteškoće na kotlu, rashladnom sistemu ili problemi kod potrošača tehnološke pare (varira potrošnja oduzimne pare) i drugo; - kvarovi u protočnom dijelu turbine kod kojih dolazi do promjene geometrije lopatica ili privremeni rad turbine bez lopatica u nekom stupnju, kao i teškoće koje nastaju usljed zasoljavanja protočnog dijela turbine. 3) Transportne i pogonske parne turbine (npr. turbonapojna pumpa) imaju posebne uslove rada i zbog promjenljivosti broja obrtaja, koja je uslovljena radom brodova, lokomotiva, pumpi, kompresora i sličnih radnih mašina. Navedeni promjenljivi režimi rada imaju za rezultat i mijenjanje vrijednosti ostalih pogonskih parametara (promjena brzine, reaktivnosti, protoka pare, stepena korisnosti stupnja i sl.), a rad turbine u takvim uslovima predstavlja promjenljivi režim rada parne turbine. S obzirom da je sigurnost u radu jedan od primarnih faktora u toku eksploatacije parnih turbina, mora biti obezbjeđena stabilnost u radu u svim domenima koji su predviđeni za rad toplotnih parnih turbina. Parne turbine, koje pokreću električni generator, imaju približno konstantan broj obrtaja, uslovljen frekvencijiom mreže, pa iz tih razloga kod promjene njihovog opterećenja, obimne brzine ostaju konstante. Međutim, ove turbine su izložene promjeni opterećenja odnosno mijenja se protok pare kroz turbinu usled promjene električnog opterećenja diktiranom promjenom opterećenja u energetskom sistemu. Opterećenje energetskog sistema mijenja se u toku dana, sedmice i 318 Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije
godišnjih sezona. Tako se dnevna neravnomjernost objašnjava nejednakim režimom potreba za električnom energijom različitih grupa potrošača (osvjetljenje i potrošnja u stanovima, komunalna potrošnja, industrija). Ova neravnomjernost se karakteriše koeficijentom neravnomjernosti dijagrama opterećenja (potrošnje), koji predstavlja odnos minimalne i maksimalne snage u toku jednog dana. Na sličan način se definišu i sedmični, sezonski i godišnji koeficijenti neravnomjernosti. Najveća razlika između maksimalne i minimalne snage (opterećenja, potrošnje) u energetskom sistemu definiše neophodni dijapazon regulisanja postojenja elektrana (TE i HE) koja su trenutno u pogonu ΔN reg = N max - N min. Odnos dijapazona regulisanja i maksimalnog opterećenja postrojenja elektrana naziva se koeficijentom regulisanja, K reg = N N reg max Nmin = 1 - N max. Ne mogu svi energetski blokovi podjednako učestvovati u regulisanju snage u energetskom sistemu. Održavanje frekvencije u sistemu preuzimaju hidroelektrane i pojedine termoelektrane odnosno termoenergetski blokovi (turbine) koji su za to osposobljeni. Nejčešće se snaga termoblokova (turbogeneratora) kod sniženog opterećenja noću prevodi na rad na tehničkom minimumu, jer je neekonomično da se veći energetski blokovi preko noći zaustavljaju. U opštem slučaju, radne karakteristike toplotnih turbina odnose se na stacionarne i nestacionarne režime rada. Nestacionarni režimi rada determinišu osobine turbina u pogledu regulisanja. Dijele se na one koji nastaju u normalnoj eksploataciji (puštanje turbine u rad, zaustavljanje parne turbine, promjena snage pri radu parne turbine) i one koji nastaju pri havarijskim uslovima, kada zbog djelovanja sistema zaštite dolazi do naglog isključenja iz pogona parne turbine. Dakle, sistem regulacije parnih turbina treba da omogući pouzdan i siguran rad parnih turbina sa ekonomski prihvatljivim pokazateljima rada. Tokom eksploatacije parne turbine može doći do kontrolisane ili spontane promjene jednog ili većeg broja pogonskih parametara, što će za Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije 319
posljedicu imati i promjenu vrijednosti preostalih paramatara. Utvrđivanje zakonitosti takvih promjena i njihovo poznavanje predstavlja nužan preduslov za uspostavljanje njihove regulacije i sigurnog i pouzdanog pogona parne turbine. Ukoliko su parne turbine namijenjene za pogon električnih generatora, osnovni zadatak procesa regulacije parnih turbina je u automatskom prilagođavanju broja obrtaja kod svake opterećene mašine, koje treba da se što manje razlikuje od normalnog pogonskog broja obrtaja, paralelno uklapanje u praznom hodu sa drugim mašinama i uspostavljanje bilo kojeg opterećenja kod nepromijenjene frekvencije u prenosnoj mreži, kao i sprečavanje porasta broja obrtaja preko granične vrijednosti sigurnosnog regulatora kod pojave naglog rasterećenja (pobjeg turbine). 7.1.2. Stupanj turbine u promjenljivom režimu rada Radni i toplotni procesi u stupnju parne turbine (akcioni i reakcioni) posmatraju seza pojedinačne i izdvojene stupnjeve, a za svaki stupanj proračun je izveden za nominalni (računski) režim, za koji se određuje brzina strujanja pare, definišu trouglovi brzina, biraju profili i dimenzije usmjeravajuće i radne rešetke. Međutim, pri promjeni opterećenja (protoka pare, dolazi do značajne promjene režima rada stupnja što se ispoljava promjenom brzina, reaktivnosti, stepena korisnosti stupnja, kao i drugih promjena kao rezultat odstupanja parametara od nominalnih (računskih) vrijednosti. Za razmatranje promjenljivog režima rada stupnja turbine treba dobro poznavati karakteristike rešetki iz kojih je sastavljen stupanj turbine. Pri ovom razmatranju posebnu važnost ima utjecaj parametara na protok pare kroz rešetku. Isti tretman imaju i sprovodne (usmjeravajuće) i radne rešetke: za određivanje protoka pare kroz usmjeravajuću rešetku bitni su totalna temperatura i totalni pritisak ispred nje i totalni pritisak pare iza nje; za radnu rešetku odgovarajući parametri su totalna temperatura i totalni pritisak za relativno strujanje ispred rešetke i pritisak pare iza radnog kola odnosno radne rešetke ili stupnja u cjelini. Strujanje pare kroz rešetku ili stupanj turbine može biti dozvučno i nadzvučno, što treba blagovremeno definisati jer su procesi strujanja različiti i postupci za njihov proračun različiti i specifični. Posebna pažnja će se posvetiti strujanju pare kroz sužavajuću mlaznicu u uslovima promjenljivog režima rada. Ove vrste mlaznica 320 Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije
najčešće se susreću kod parnih turbina, iako Lavolova mlaznica ima sužavajući i šireći oblik mlaznice. Razmatra se pojednostavljen primjer strujanja pare kroz izdvojenu mlaznicu ugrađenu u strujni tok (npr. u parovod) i posmatra se situacija kada se istovremeno mijenja pritisak dovedene pare p 01 i pritisak pare iza mlaznice p 1, tj. p 01 = var i p 1 = var, slika 7.1. T, p, v 0 0 0 i 0 V1 T, v 01 01 i 0 p 01 p 1 V2 Suzavajuca mlaznica Slika 7.1. Šema ugradnje mlaznice u promjenljivi strujni tok Pretpostavke za analizu procesa prema slici 7.1: a) prečnik parovoda je toliko veliki u odnosu na prečnik mlaznice da se brzina pare c 0, koja se dovodi u mlaznicu može zanemariti, pa se računa sa statičkim pritiscima i temperaturama pare; b) može se posmatrati i varijanta da brzina pare ima značajne vrijednosti pa je potrebno računati sa totalnim (zaustavnim) pritiscima i temperaturama pare; c) količina pare koja protiče kroz mlaznicu reguliše se ventilima V1 i V2; d) pretpostavlja se da su pritisak p 0 i temperatura t 0 pred ventilom V1 konstantni (p 0 = const, t 0 = const)); e) para koja prođe kroz ventil V2 usmjerava se u kondenzator turbine, pri čemu se može računati da je u njemu pritisak približno jednak nuli (p k << p 0 ); Analiziramo protok pare kroz mlaznicu pri slijedećem scenariju: potpuno otvoren ventil V2, a postepeno se otvara ventil V1; protok pare kroz mlaznicu će se povećavati, kao i pritisak pare p 01 pred mlaznicom; Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije 321
pri potpuno otvorenom ventilu V2, pritisak p 1 iza mlaznice izjednačiće se sa pritiskom u kondenzatoru, p 1 = p k 0; znači, protjecanje pare kroz mlaznicu odvijaće se pri odnosu pritisaka ε = p 1 /p 01 0, tj. u mlaznici će se pojaviti kritični protok p01 G kr = F ; v 01 kod potpuno otvorenog ventila V1, pritisak pare pred mlaznicom dostiže vrijednost p 0 = p 01, kojemu će odgovarati maksimalni protok pare G max : p0 G max = F, v 0 jer je p 0 = p o.max i v 0 = v o.max ; odnos kritičnog protoka pare kod pritiska p 01, prema maksimalnom kritičnom protoku kod pritiska p 0 je p01 F G v kr p v G p p v F v 01 01 0 max 0 0 01 0 ; (7.1) u posmatranom primjeru, prigušivanje ventilom V1 odvija se kod i 0 = const, pa se sa velikom tačnošću može napisati odnos p01 v0 p 01 v 01 = p 0 v 0 ili ; p v 0 01 ako se predhodni odnos uvrsti u jednačinu (7.1), dobija se novi odnos kritičnog i maksimalnog protoka, Gkr p01 0, (7.2) G p max 0 tj. kritični protok pare je direktno proporcionalan pritisku pred mlaznicom (p 01 ) odnosno totalnom pritisku 01 p, ako se uzme u obzir i brzina pare pred mlaznicom. 322 Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije
Ako entalpija pare pred mlaznicom nije konstantna (i 0 = var), odnos zapremina (v 0 /v 01) zavisiće, pored odnosa pritisaka (p 01 /p 0 ) i od temperature pare. U takvom slučaju relativni protok pare treba određivati neposredno prema formuli (7.1), koja se nakon jednostavnih transformacija može sa dovoljnom tačnošću napisati u obliku, G p p v p T G p p v p T 2 kr 01 0 0 01 0 2 max 0 01 01 0 01, (7.3) pri čemu je pregrijana para posmatrana kao idealni gas, pa je izvršena smjena p v = R T i dobijen odnos apsolutnih temperatura pare pred ventilom V1 (T 0 ) odnosno mlaznicom (T 01 ). Sada posmatramo drugi scenario: pred mlaznicom se održava konstantan pritisak, p 01 = const, a mijenja se pritisak poslije mlaznice u izlaznom dijelu parovoda (slika 7.1), npr. pritvarajući ventil V2. G max G D G kr G 0 A B kr p 1 = kr p 01 p 1 p 1 = p 01 E C F p = p p 1 0 1 Zakonitost promjene protoka pare predstavljen je linijom ABC na slici 7.2. Tri osnovne tačke na krivoj su: A - tačka kritičnog protoka pare, G kr ; B - tačka kritičnog odnosa pritisaka; C - tačka nultog protoka pare. Slika 7.2. Kriva promjene protoka pare kroz sužavajuću mlaznicu - dozvučno strujanje Uobičajeno je da se krive protoka pare prikazuju u relativnim koordinatama. Protok pare kroz sužavajuće mlaznice, može se prikazati i slijedećom jednačinom, koja je izvedena koristeći jednačinu kontinuiteta i odgovarajuće izraze za kritičnu brzinu (c kr ) i brzinu zvuka (a), Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije 323
a 2 1 01 2 G F1 ( ) v 01 1 =F 1 2 p 1 v 01 01 2 1 ( ), (7.4) gdje veličine sa zvjezdicom ( ) označavaju totalne vrijednosti parametara. Iz formule (7.4) može se zaključiti da protok pare kroz sužavajuću mlaznicu zavisi od površine poprečnog presjeka na izlazu iz mlaznice (F 1 ), od totalnih parametara pred mlaznicom ( p01, v 01 ) ili statičkih parametara p01, v 01, kao i odnosa pritiska pred mlaznicom (p 01 ) prema totalnom pritisku pred mlaznicom p1/ p01 ili p1/ p01u slučaju da se zanemari brzina pare pred mlaznicom. Kriva zavisnosti protoka pare od odnosa pritisaka kod fiksiranih parametara pred mlaznicom, prikazana je na slici 7.3. Praktično, krive na slici 7.2 i 7.3 imaju isti smisao i značenje. G a Gkr 0 =0,546 kr =1,0 < kr b = p 1 p 01 Slika 7.3. Kriva protoka pare kroz sužavajuću mlaznicu u zavisnosti od odnosa pritisaka pregrijane pare u izlaznom presjeku i kod p 01 = const Na osnovu predhodnih slika i objašnjenja, mogu se definisati relativne veličine koje će se upotrebljavati u narednim tekstovima: Protok pare izražen u dijelovima maksimalnog kritičnog protoka - relativni protok pare kroz mlaznice: q 0 = q max = G G max ili q = G G. kr Relativni početni pritisak pred mlaznicom, 324 Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije
p 01 0. p0 Relativni konačni pritisak iza mlaznice, p 1 1. p0 Za slučaj ε 1 = ε 0, ostvaruje se nulti protok, tj. kod odnosa p 1 /p 0 = p 01 /p 0 slijedi da je p 1 = p 01, kao i odnos p 1 /p 01 = 1,0. Odnosi vezani za kritični pritisak su: G kr G max, 0 p p kr 01 = kr 2 1 1 1. p1 Kritični odnos pritisaka pregrijane pare dostiže se kod = 0,546, ili p 01 p1 kod p = 0,546 ε 0. Posmatrajući krive na slikama 7.2 i 7.3, vidi se da je 0 maksimalni protok pare ostvaren kod kritičnog pritiska pred mlaznicom (tačka B na slici 7.2 i tačka a na slici 7.3). Poseban je slučaj na slici 7.2, kada se otvaranjem ventila V1 (slika 7.1) povećava pritisak pred mlaznicom (p 0 =p 01 ), maksimalni protok se ostvaruje u tački E. Dio krive za 0 < ε < ε kr na slici 7.3, pretstavljen je crtkanom linijom, a za ε > ε kr punom linijom. Kao što je poznato, lijevi dio linije (crtkano) pri realnom strujanju u mlaznici ne ostvaruje se, jer u tom slučaju javlja se konstantan kritični protok, nezavisno od pritiska pare iza mlaznice, pošto u izlaznom presjeku mlaznice parametri dostižu kritične vrijednosti i ne mijenjaju se dalje. Dio krive ab, desno od ε kr na slici 7.3 (puna linija) može da se, sa dovoljnom tačnošću, zamijeni lukom elipse, čija jednačina može da se predstavi u obliku: Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije 325
2 2 G p1 p kr G p p kr 01 kr 1. (7.5) Jednačinu (7.5) transformišemo na slijedeći način G G p1 pkr p01 2 G max p0 p01 p 0 1. G p p p max kr 01 kr 01 p0 p01 p0 Zamjenjujući u predhodni izraz relativne veličine koje su ranije definisane, dobija se: odnosno 2 2 1 0 kr 0 2 0 0 kr 0 q 1, 2 q 2 2 0 1 kr 0 2 2 0 0 1 kr 2 1. Daljom transformacijom dobija se konačni oblik jednačine, 2 1 kr 0 2 2 q 2 0 0 1 kr. (7.6) Jednačina (7.5) može da se transformiše i na drugi način tako da se dobije slijedeći oblik: 326 Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije
p p G G 1 p 0 2 1 kr 2 2 2 p0 p 0 1 1 kr kr 1 1 1 2 p kr kr 1 kr 1 kr. Na kraju se dobije jednačina za relativni protok pare u području dozvučnog strujanja pare (ε kr < ε < 1): G p1 p kr q 1 Gkr p0 pkr 2 = 1 kr 1 1 kr 2 2. (7.7) Kada se podkorijena vrijednost jednačine (7.7) napiše u drugom obliku, dobija se novi oblik jednačine, G G 1 1 2 q = 12 1 kr kr kr 1 1. (7.7.a) Kada je ε ε kr, relativni protok je q=1 odnosno G = G kr, slika 7.3. Jednačina (7.6) predstavlja osnovnu jednačinu za proračun promjenljivih režima rada sužavajućih mlaznica. Ona međusobno povezuje protok pare kroz sužavajuću mlaznicu q 0 sa početnim (p 01, ε 0 ) i konačnim (p 1, ε 1 ) relativnim pritiscima pare. Kod izvedenih mlaznica, kao sastavnog dijela turbinske rešetke, treba uzimati u obzir i brzinu pare pred mlaznicom. To znači da treba računati sa totalnim ili zaustavnim pritiscima i temperarurama pare pred mlaznicama. Promjenljivi režim strujanja pare kroz sužavajuće kanale (mlaznice) kod promjene pritiska na ulazu (p 01 ) i izlazu iz mlaznice (p 1 ) definišu se na sličan način kao što je već obrazloženo. Predhodno se definiše kritični protok za slučaj da se mijenja pritisak pred rešetkom: 1 2 1 p01 p01 kr p1 kr p1 1 1 v01 v01 G k F k F. (7.8) Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije 327
U predhodnoj jednačini i u narednim izvođenjima primjenjene su slijedeće oznake i definicije: k p1 F kr = F 1 p 01.max p 01 v 01 - koeficijent protoka kojim se uzima u obzir stvarni protok; - izlazni presjek mlaznice u kome se pojavljuje kritična brzina; - maksimalni (fiksirani) pritisak kočenja (totalni) pred mlaznicom; - tekući totalni pritisak pred mlaznicom u bilo kojem režimu, koji može imati vrijednosti od 0 do p 01.max ; - specifična zapremina pare kog totalnih paramrtara; p 1 - statički pritisak iza mlaznice koji može imati vrijednosti od 0 do p 01 ; G kr - kritični protok kroz mlazničku rešetku kod pritiska pred mlaznicom p 01 ; max G - maksimalni kritični protok (fiksiran) kroz mlazničku kr rešetku kod p 01.max (linija DE na slici 7.2); G - tekući protok kroz mlazničku rešetku. Odnos kritičnog protoka pare (kod odgovarajućeg pritiska p 01 ) i maksimalnog kritičnog protoka kod nepromijenjenog koeficijenta protoka k : p1 p kp 1F1 Gkr p v max Gkr p v p kp 1F1 v 01 v01 01 0.max 0.max 01 0.max 0.max. (7.9) Jednačina (7.9) predstavlja opšti slučaj, ali mogu se razmatrati dva posebna režima strujanja pare kroz sužavajuću mlazničku rešetku: 328 a) pred mlazničkom rešetkom održava se konstantna enetalpija pare, i i const ; 01 0.max Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije
i 0 Energetske mašine b) pred mlaznicama entalpija nije konstantna, i 01 const. Ako se pred mlazničkom rešetkom para prigušuje, zadržava se stanje const, pa sa dovoljnom tačnošću mogu da se napišu odnosi: p01 v0.max p01 v01 p0.max v0.max ili, kao i T 01 T0.max. p v 0.max 01 Ako se predhodni odnos uvrsti u jednačinu (7.9), dobija se, G G kr max kr p01 0. (7.10) p 0.max Predhodni rezultat nam pokazuje, kao i jednačina (7.2), da je kritični protok pare proporcionalan kočionom (totalnom) pritisku pred rešetkom u slučaju da je i 01 const. Ako enetalpija pare pred mlaznicama nije konstantna ( i 01 var ), odnos specifičnih zapremina zavisiće i od temperatura, a ne samo od max pritisaka. Relativni protok pare q0 G/ Gkr u tom slučaju treba određivati po formuli (7.9) u obliku, G p v p p p p v G v p p p p p v kr max kr 01 0.max 01 0.max 01 0.max 0.max 01 0.max 01 0.max 0.max 01 0. (7.11) Posmatrajući pregrijanu paru kao idealni gas, mogu se primjeniti odnosi prema jednačini stanja idealnog gasa, kao i kod jednačine (7.3) sa statičkim parametrima pare: p0.max v0.max RT0.max i p01 v01 RT01. Uvršćavanjem predhodnih izraza u jednačinu (7.11), dobija se: G p T G p T. (7.12) kr max kr 01 0.max 0.max 01 Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije 329
Drugim riječima, kada i 01 const, kritični protok pare kroz mlazničku rešetku direktno je proporcionalan totalnom pritisku pred rešetkom, a obrnuto proporcionalan kvadratnom korijenu iz totalne temperature pred tešetkom. Kada se u raniju jednačinu (7.5) uvrsti totalni pritisak pred mlaznicom p ), dobija se jednačina, ( 01 2 2 G p p 1 kr Gkr p01 pkr Daljom transformacijom u bliku, 1. (7.13) G G max kr p p p max Gkr p p p Gkr p p p 1 kr 01 0.max 01 0.max p01 pkr p01 0.max 01 0.max = 1, te uvođenjem relativnih veličina, dobija se jednačina, 2 2 2 q 0 1kr 0 2 0 0 1kr 1, ili u obliku kao i jednačina (7.6), ali sa drugim definicijama relativnih veličina q i ε: 2 1 kr 0 2 2 q 2 0 0 1 ke. (7.14) Relativne veličine u jednačini (7.14) imaju slijedeća značenja: 330 max q0 G/ G - protok pregrijane pare izražen udjelima kr maksimalnog kritičnog protoka; p / p - relativni početni totalni pritisak pred malznicom; 0 01 0.max Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije
1 1 0.max Energetske mašine p / p - relativni konačni pritisak na izlazu iz mlaznice. Može se zapaziti da važe i slijedeće relacije: 0,546. kr 1 0 G / G, kao i Upoređujući jednačine (7.6) i (7.13) i izvode koji su vezani za ove jednačine, može se zapaziti da je u jednačini (7.6) uvršćen statički pritisak pred mlazničkom rešetkom, što daje jednostavnije izraze. To ne prestavlja veliko odstupanje u rezultatu, ali kod radne (rotorske) rešetke treba uzimati totalne parametre, jer i početne relativne brzine pare (w 1 ) imaju značajne vrijednosti. kr max kr 0 1,0 0,9 0,8 q = G 0 Gmax kr 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1 Slika 7.4. Mreža relativnih protoka pregrijane pare (ε kr = 0,546) kroz turbinsku rešetku sa sužavajućim kanalima za dozvučno strujanje, prema A.V. Ščegljajevu, 181 Mreža A. V. Ščegljajeva (А.В. Щегляев, 1902-1970. god.) za relativne protoke pregrijane pare (ε kr = 0,546) kroz turbinsku rešetku sa sužavajućim kanalima, prema jednačini (7.14), prikazana je na slici 7.4. Ovaj dijagram predstavlja funkcionalnu zavisnost relativnog protoka q 0 sa početnim i konačnim relativnim pritiscima ε 0 i ε 1. Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije 331
7.1.3. Promjena pritiska i toplotnih padova u grupi stupnjeva turbine pri promjenljivom režimu tada U opštem slučaju, odnos protoka pare pri nominalnom režimu rada (G 0 ) i na nekom novom režimu (G) zavisi od početnih pritisaka i temperature, protivpritiska ili pritiska u kondenzatoru, broja obrtaja i drugih parametara na nominalnom (računskom) i novom režimu. Razmatranje metoda proračuna pojedinačnih stupnjeva, kao i grupe stupnjeva turbine kod režima koji odstupaju od računskog, vrlo je složen i težak zadatak, zbog čega se rješenja traže uz pomoć računara. Ipak, teži se jednostavnijim postupcima za određivanje pritisaka i toplotnih padova po stupnjevima turbine kod režima koji se razlikuju od računskog. Pri rješavanju ovog zadatka najčešće se polazi od određivanja snage koju razvija turbina pri promjeni protoka pare. Razmotrimo kako se mijenja pritisak pare u stupnjevima turbine pri promjeni protoka pare kroz turbinu proizvoljne konstrukcije, slika 7.5. Zamislimo da se protočni dio turbine sastoji od veliokg broja stupnjeva koji se mogu smatrati kao niz otpora na putu kojim protiče para. Na sličan način posmatran je protok pare i padovi pritisaka kroz lavirintne zaptivače. I K i II p II,T II p,t I I G p,t I0 I0 G 0 I p i T i K i p,t II0 II0 II Slika 7.5. Šematski prikaz protočnog dijela turbine, kao ilustracija uz tekuće razmatranje protoka pare kroz grupu stupnjeva Pretpostavljeno je da su za proizvoljni protočni dio turbine odnosno grupu stupnjeva (slika 7.5) definisane geometrijske dimenzije rešetke za svaki stupanj, srednji protočni presjek stupnja F, kao i broj stupnjeva z. Za nominalni protok pare G 0 definisani su parametri pare na ulazu u grupu 332 Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije
stupnjeva (p I0, T I0 ) i na izlazu (p II0, T II0 ). Pritisak pare u proizvoljnom stepenu turbine (presjek K i - K i ) može da se odredi kao zbir gdje je: p i = p II + ΣΔp, p II ΣΔp - pritisak pare na izlazu iz grupe stupnjeva; - zbir padova pritiska u stupnjevima koji se nalaze iza posmatranog i-tog stepena (Δ 1 p, Δ 2 p,...). Pri određivanju protoka pare odnosno odnosa protoka kod promijenjenog režima, mogu se pojaviti dva slučaja. Prvi slučaj. Na oba uporedna režima javlja se kritična brzina ili nadzvučna brzina pare makar u jednom stupnju razmatrane grupe. Kod analize strujanja kroz pojedine stupnjeve konstatovano je da pri kritičnom strujanju: pritisak na izlazu iz stupnja na utiče na parametre u narednim stupnjevima, protok pare, kod nepromijenjene površine protočnog presjeka, zavisi samo od parametara pare pred rešetkom i definiše se jednačinom, 1 2 1 pi0 pi0 kr kr kr 1 vi0 vi0 G G F F, (7.15) gdje je: 1 - koeficijent koji zavisi od svojstava pare ili 2 1 gasa koji protiče kroz mlaznicu stupnja (za 1 pregrijanu paru, uz κ = 1,3 i χ = 0,667); p I 0, v - totalni pritisak i specifična zapremina pare I 0 na ulazu u mlaznicu. Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije 333
Za prvi slučaj kritičnog i nadkritičnog strujanja pare, odnos proizvoljnog protoka (G) prema računskom (G 0 ), definiše se odnosom (oznake na slici 7.5): G p v p p v G p v p p v I I0 I I0 I0 0 I0 I I0 I I. (7.16) Daljom transformacijom i zamjenom p v R T, dobija se novi opšti oblik jednačine relativnog protoka vlažne pare, q G T x I0 I0 I, (7.17) G0 TI xi odnosno za pregrijanu paru, G p T T q, (7.17.a) G p T T I I0 I0 I 0 I0 I I pri čemu su: p I0, T I0, v I0, x I0 - parametri pare ispred stupnjeva koji odgovaraju računskom protoku G 0 ; p I, T I, v I, x I - parametri pare ispred grupe stupnjeva kod izmijenjenog režima sa novim protokom pare G (tekući parametri); pi ε I = p - relativni pritisak pare na ulazu u grupu stupnjeva. I 0 U većini slučajeva može se uzeti da se temperatura pare u međustupnjevima vrlo malo mijenja (T I T I0 ) pri promjeni protoka, pa za pregrijanu paru (x I = x I0 = 1), jednačina (7.17) poprima jednostavniji oblik: q G p I I. (7.18) G0 pi 0 334 Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije
Dakle, sve dok se u nekom stupnju održava kritična brzina, pritisak pare u svim predhodnim stupnjevima mijenja se direktno proporcionalno protoku pare (7.18). Drugi slučaj. Ni u jednom stupnju razmatrane grupe (slika 7.5) ne pojavljuje se kritični režim, tj. egzistira dozvučno strujanje pare. Poznata formula Stodola - Fljugelja (Stodola Aurel, Флюгель Густав) za grupu stupnjeva izvodi se za pretpostavljene idealne uslove: a) radni medijum idealni gas; b) beskonačno veliki broj stupnjeva u grupi, inače se ne bi mogao primijeniti postupak integrisanja; c) iste protočne dimenzije za oba uporedna režima strujanja; d) jednaki brzinski koeficijenti u svim stupnjevima, φ i ψ ; e) jednaki koeficijenti protoka, k p ; f) nepromijenjeni odnosi specifičnih gustoća na izlazu iz rešetki; g) konstantan broj obrtaja rotora turbine. Za dokritično strujanje pare u pomenutim zaptivačima izvedena je formula za protok kroz procijepe p p p p G k f k f 2 2 2 2 0 1 0 1 0 pr p s p s p0v0z z p0. Ako se primjeni ista analogija za protok pare kroz grupu sa velikim brojem stupnjeva (slika 7.5), može se napisati da je za računski režim protok jednak G k F 0 p0 2 2 pi0 pii0 p v z I0 I0. (7.19) biti Isto tako za neki izmjenjeni režim, protok pare kroz grupu stupnjeva ći G k F p 2 2 pi pii. (7.19.a) p v z I I Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije 335
Odnos protoka pare izmjenjenog režima rada (G) i protoka kod računskog režima (G 0 ), uz pretpostavku da je k p = k p0, može da se napiše u obliku p 1 G G p p p v p p v 1 pi 0 II 2 2 pi pii pi0vi0 p p I I pi0vi0 2 2 2 0 I0 II0 I I I0 p II 0 I I 2. (7.20) Uvodeći za pretpostavljeni idealni gas (pregrijana para x I0 x I =1), jednačinu stanja p v R T (uzimajući da je R R 0 ), dobija se jednačina G 1 G 2 II I 2 0 1 II 0 T T I 0 I, (7.20.a) gdje su: ε I = p I /p I0 - relativni pritisak ispred grupe stupnjeva; ε II = p II /p I, ε II0 = p II0 /p I0 - relativni pritisci iza grupe stupnjeva kod izmijenjenog i računskog protoka pare. Neki autori jednačinu (7.20.a) prikazuju u obliku G G 2 2 I II 2 0 1 II 0 T T I 0 I. (7.20.b) Ako se grupa stupnjeva završava odvodom pare u kondenzator parne turbine, onda pritisak p II odnosno p II0 odgovara pritisku u kondenzatoru p k, tj. p II = p k ili p II0 = p k0. Znači, u slučaju kondenzacione turbine, drugi članovi pod korijenom u jednačini (7.20) toliko su maleni u odnosu na prve 2 2 2 2 članove, tj. II k I ili II 0 1, tako da se jednačine (7.20) i (7.20.a) transformišu u jednačinu (7.17.a), tj. protok pare je proporcionalan pritisku pred grupom stupnjeva 336 Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije
G p T T, G p T T I I0 I0 I 0 I0 I I ili u jednačinu (7.18) kada je T I0 T I, G G p I I. 0 pi 0 Ovakav rezultat je i očekivan, jer je karakteristično da kod kondenzacionih turbina jedan od posljednih stupnjeva turbine radi sa kritičnim brzinama, a formula (7.18) je i izvedena za te uslove. U slučaju vlažne pare (x I0 x I <1), predhodne jednačine treba korigovati sa faktorom x / I0 x I. Formule (7.20) i njoj slične formule pokazuju da se protok pare kroz grupu stupnjeva mijenja približno proporcionalno početnom pritisku pare. Promjena protoka ili početnog pritiska pare uslovljava odgovarajuće promjene pritiska u svim stupnjevima grupe. Pretpostavimo da nas interesuju parametri pare (gasa) pred i-tim stepenom grupe za neki promijenjeni režim. Ako je poznat protok pare na novom režimu rada, možemo napisati jednačinu (7.20) za tu grupu, posmatrajući i-ti stepen kao prvi stepen u grupi, u formi: p II 1 G p p i i i0 G0 pi0 2 p II 0 Ti 1 p i0 2 T. Iz predhodne jednačine izračunavamo traženu vrijednost pritiska p i, u obliku: Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije 337
p i G T p p 1 p II 0 i i0 i0 2 G0 Ti 0 p II 1 pi 2. (7.21) Vidi se (7.21) da se pritisak u pojedinim stupnjevima kod promijenjenih režima rada, mijenja približno proporcionalno protoku pare (gasa) ili proporcionalno pritisku ispred grupe stupnjeva. Protivpritisak (p II0, p II ) ima manji uticaj na pritisak p i, ali se može zaključiti da je značajniji uticaj protivpritiska što je posmatrani i-ti stepen bliži izlazu grupe stupnjeva. Promjena pritiska u stupnjevima turbine s protivpritiskom ili pogoršanim vakuumom, u zavisnosti od protoka pare, određuje se prema jednačinama koje su predhodno izvedene i predstavljene u obliku: G T p p G T p p 2 2 I 0 I II 2 2 0 I I0 II0 (7.22) ili približno za odnos koji se može uzeti kod parnih turbina, T I T I0, G p p G p p 2 2 I II 2 2 0 I0 II0. (7.22.a) Rješavajući predhodne jednačine po p I dobija se pritisak pare na ulazu u turbinu kod p II = p II0 = const, u obliku: odakle je 2 2 2 T I G 2 2 I II I0 II0 TI 0 G0 p p p p, 2 T G p p p p I 2 2 2 I I 0 II 0 II TI 0 G0, (7.23) 338 Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije
ili za T I T I0 2 G p p p p 2 2 2 I I 0 II 0 II G0. (7.23.a) Po istom postupku može da se izračuna pritisak pare na izlazu iz grupe stupnjeva ili u kondenzatoru u funkciji protoka pare i pritiska na ulazu u turbinu ili grupu stupnjeva, 2 2 T I G 2 2 II I I 0 II 0 TI 0 G0 p p p p. (7.24) Kod određenih proračuna, često se ukazuje potreba da se odredi protok pare kroz turbinu ili grupu stupnjeva kod konstantnog pritiska na ulazu i promjenljivim protivpritiskom (promjena potrošnje oduzimne pare ili pogoršanje vakuuma u kondenzatoru). Neki novi traženi protok pare (G) izračunava se iz jednačina (7.22) odnosno (7.22.a): p p T G G 2 2 I II I 0 0 2 2 pi0 pii0 TI (7.25) ili za T / 1 0 T, u obliku: I I G G p p 2 2 I II 0 2 2 pi0 pii0. (7.25.a) Pri korišćenju izvedenih formula mogu se pojaviti tri slučaja kada se režimi ostvaruju uz promjenu protoka: a) značajna promjena broja obrtaja (mijenja se obimna brzina u i odnos u/c); b) promjena protočne površine ili broja radnih stupnjeva u grupi; Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije 339
c) promjena radnog fluida u odnosu na računski režim (R 0 R, κ κ 0 ). U slučaju da se ostvaruju navedene promjene, treba uvesti tri korekciona koeficijenta, pa se dobija nova formula G p T 1 K K K G p T 2 I I 0 II 2 0 I0 I 1 II0 n f r. f. (7.26) Ima dosta podataka u specificiranoj stručnoj literaturi u vezi sa postupcima za određivanje korekcionih faktora K n, K f i K r.f, 67. Kada se razmatra istovremena promjena pritiska pare kako ispred, tako i iza grupe stupnjeva, geometrijsko mjesto relativnih protoka pare predstavlja se konusom, slika 7.6. Za tu svrhu potrebno je jednačinu relativnog protoka pare (G/G 0 ) prevesti u jednačinu elipse. Polazi se od jednačine (7.20), te za uslove T I0 T I = const, predstavljene u obliku G p p 1 p I I G0 pi 0 pii 0 1 p II I 0 2 2. Odgovarajućim transformacijama dobija se nova jednačina: 2 p II 2 2 1 2 G p p I I 1 p 2 1 II, (7.27) G0 pi0 p c p II 0 I 1 pi 0 gdje je 2 2 p II 0 p I 0 c 1, (7.28) pi0 pi 340 Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije
parametar koji zavisi od tekućih vrijednosti pritisaka na ulazu u grupu stupnjeva posmatrane turbine, 163. Preuređenjem jednačine (7.27) dobija se jednačina elipse sa promjenljivim vrijednostima parametra c: 2 2 G p II c 1, (7.29) G0 pi koja povezuje relativni maseni protok (G/G 0 ) i odgovarajući odnos tekućih vrijednosti pritisaka pare iza i ispred grupe stupnjeva (p II /p I ). Može se predpostaviti da su vrijednosti parametra c (jednačina 7.28) u jednačini (7.29) poznate za nominalne vrijednosti parametara pare i da zavise samo od tekuće vrijednosti pritisaka pare na ulazu u turbinu, odnosno u posmatranu grupu stupnjeva p I. U tom slučaju moguće je jednačinu (7.29) predstaviti u obliku trodimenzionalnog dijagrama (konus protoka pare) sa slijedećim koordinatama: G p II (ili p z ili p k ) p I - tekući maseni protok; - tekući pritisak iza grupe stupnjeva (ili pritisak u zadnjem stupnju ili u kondenzatoru); - tekući pritisak pare ispred grupe stupnjeva turbine (ili ispred turbine). Češće se konus protoka pare prikazuje u relativnim koordinatama. Zakon konusa protoka pare prvi je na osnovu eksperimenata postavio profesor A.B. Stodola (1859-1942. god.), slovački fizičar i mašinski inženjer. Približnu teoretsku zasnovanost i analitički izvod zavisnosti između protoka i pritiska pare izveo je G. Fljugelj (Г. Флюгель) - jednačina (7.20.b). Stodolin konus protoka pare za grupu stupnjeva sa dozvučnim brzinama pare, prikazan je na slici 7.6. Kao što se vidi, na tri koordinatne ose nanešene su: II p p II I 0 - relativni tekući pritisak pare iza grupe stupnjeva, izraženu u dijelovima računskog pritiska ispred razmatrane grupe stupnjeva; Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije 341
pi I p G q0 G I 0 0 - relativni tekući pritisak ispred grupe stupnjeva; - relativni sekundni protok pare. U slučaju konstantnog protivpritiska ε II = const (p II - iza grupe stupnjeva ili p k - u kondenzatoru), zavisnost između relativnog pritiska, protoka pare q 0 i pritiska pare pred grupom stupnjeva definisana je linijom ab, koja predstavlja presjek površine ABC s površinom konusa. q= G G 0 0 D = II p II p I0 =const. C b = I p I p I0 =const. c = p I p I0 I B E a F A = p II II p I0 Slika 7.6. Stodolin konus protoka pare za grupu stupnjeva sa dozvučnim brzinama Isto tako, kod konstantnog relativnog početnog pritiska ε I = const, pred grupom stupnjeva turbine, protok pare se mijenja u zavisnosti od promjene ε II po krivoj ca, koja se dobija u presjeku površine konusa i ravni DEF (odgovara konstantnom pritisku p I odnosno ε I = const). Dokritični režimi mogu preći u nadkritične pri većim opterećenjima kada brzina pare može da postigne nadzvučne vrijednosti. To se posebno dešava u posljednjim stupnjevima parnih turbina velike snage. Stodolin 342 Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije
prostorni dijagram protoka pare kod nadzvučnih brzina prikazan je na slici 7.7, koga je prvi konstruisao A.V. Ščegljajev (Андрей Владиморович Щегляев, 1902-1970. god.), 181. A B q= G G 0 0 1,0 0,73 = p I p I0 I 0,8 0,6 0,4 0,2 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 = p II II p I0 Slika 7.7. Stodolin konus protoka pare za grupu stupnjeva u slučaju pojave nadzvučnih brzina (prema A.V. Ščegljajevu) Na pomenutom dijagramu, oblast koja odgovara protocima pare kod kojih posljednji stupanj turbine radi sa nadzvučnim (kritičnim) brzinama, ograničena je linijama OA i OB, slika 7.7. Položaj linije OB definisan je graničnim odnosom pritisaka za grupu stupnjeva, IIkr p p IIz I 0 kr, (7.30) gdje je: (p IIz ) kr - kritični pritisak u zadnjem stupnju u kome je dostignuta nadzvučna (kritična) brzina. Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije 343
Relativni granični pritisak (ε II ) kr ima sasvim druge vrijednosti u odnosu na ε kr = 0,546 za pregrijanu paru koja ekspandira u sužavajućoj mlaznici. Veličina (ε II ) kr zavisi od broja stupnjeva grupe i utoliko je manja što je broj stupnjeva veći. Takođe zavisi i od stepena reaktivnosti stupnjeva u grupi. Po parvilu (ε II ) kr ima manju vrijednost za grupu akcionih stupnjeva u odnosu na grupu reakcionih stupnjeva većeg stepena reaktivnosti. Posmatrajući jedan od brojnih presjeka ravni sa ε I = const i površine konusa (slika 7.7), može se konstatovati da će se protok mijenjati samo u oblasti ε II > ε II kr. Međutim, u oblast ε II < ε II kr protok pare ostaje konstantan i jednak kritičnoj vrijednosti G kr. U oblasti ε II < ε II kr moguća je promjena protoka pare promjenom p I (ili p I tot ) na ulazu u grupu stupnjeva, tj. kada ε I const, što je prikazano na slici 7.8. Na slici 7.8 nacrtan je i jedan primjer kod koga je pretpostavljen normalan protivpritisak izražen u relativnoj vrijednosti ε II = 0,2. Ako se protivpritisak održava nepromijenjen (p II = const) pri promjeni protoka pare, onda će se povećati brzina pare i kritičnu brzinu u posljednjem stupnju će dostići kod relativnog protka q 0 = 0,73. Od tog režima počinje da se mijenja pritisak pare po stupnjevima proporcionalno količini pare koja struji kroz te stupnjeve. U promjenljivom režimu rada turbine, sa promjenom pritiska kroz stupnjeve turbine dolazi i do izmjene toplotnih padova u tim stupnjevima. Pri proračunu preraspodjele pritisaka i toplotnih padova u turbini polazi se od prvog i posljednjeg stupnja, pri čemu je pritisak iza posljednjeg stupnja ili unaprijed zadan (protivpritisak turbine) ili je definisan izabranim sistemom hlađenja kondenzacione turbine. 344 0,73 q= G G 0 0 =0,2 I =1,0 I =0,8 I =0,6 I =0,4 I 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 = p II II p I0 Slika 7.8. Dijagram promjene relativnih protoka pare kroz grupu stupnjeva u funkciji pritisaka pare ispred i iza grupe, q 0 = f(ε I, ε II ) Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije
7.2. REGULACIJA PARNIH TURBINA, 97 7.2.1. Osnovni pojmovi o regulisanju Regulisanje snage parnih turbina je neophodno zbog promjene potrošnje električne energije, tehnološke pare u proizvodnim procesima i pare za toplifikaciju (grijanje). Proizvodnja električne energije i pare iz oduzimanja turbine mora da se prilagodi potrebama potrošača, tj. parne turbine (naravno i parni kotlovi) moraju da rade sa raznim snagama zbog zahtjeva potrošača. Mehanička energija obratnja vratila turbine transformiše se pomoću generatora u električnu energiju, a potom preko prenosne i distributivne mreže predaje potrošačima. Pri tome se uspostavlja stroga zavisnost između vrijednosti mehaničkog rada na vratilu turbine i električne energije na stezaljkama generatora. Iz ove konstatacije slijedi zaključak da svaku promjenu električnog opterećenja treba da prati određena promjena mehaničkog rada (snage) na turbini. Kada je vratilo turbine spojeno sa nekom drugom mašinom (pumpa, kompresor, ventilator-duvaljka i sl.), onda promjena opterećenja ove mašine treba da utiče na odgovarajuću promjenu rada na vratilu turbine. Turbina treba da radi stabilno u cijelom području promjene opterećenja od nulte (prazan hod) do maksimalne vrijednosti. To se posebno odnosi na parne turbine koje rade paralelno s drugim u elektroenergetskom sistemu. Pri tome se zahtijeva od parnih turbina da pri raznim snagama rade sa konstantnim brojem obrtaja, tj. da odstupanja od frekvence mreže budu što manja u odnosu na nominalnu vrijednost. Regulacioni sistemi (uređaji) moraju na najbolji mogući način da ispunjavaju sve navedene zahtjeve i pored toga što se pojavljuju problemi u vezi sa statičkim i dinamičkim ponašanjem regulacionih kola. Postoji potpuna i određena zavisnost između snage na vratilu turbine s jedne strane, te protoka pare G i jediničnog toplotnog pada (rada) pare H, s druge starne: N G, (7.31) e H i e odnosno snage na električnom generatoru Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije 345
N g = G H 0 η 0i η m η g. (7.31.a) Radi toga, promjenu opterećenja turbine treba da prati odgovarajuća promjena protoka pare kroz turbinu ili pak jediničnog toplotnog pada pare. Moguća je i kombinovana promjena oba parametra. Naravno, sistem i metod regulisanja treba da je takav da pri radu turbopostrojenja sa različitim snagama bude što manje odstupanja apsolutnog električnog stepena korisnosti od istog stepena korisnosti pri nekom nominalnom režimu sa najvećim stepenom korisnosti. Pri jednom određenom opterećenju održava se konstantan odnos između protoka pare kroz turbinu i obrtnog momenta na njenom vratilu, slika 7.9. Svaka od linija na slici odgovara konstantnom protoku pare. Pri povećanju protoka pare kroz turbinu, linija momenta turbine M t zauzima viši položaj. Na istoj slici krive M g predstavljaju momente na vratilu generatora kod različitih opterećenja (M ga, M gb ). M M ta M ga M tb a b c M gb n a n c n b n Slika 7.9. Karakteristike momenata turbine i generatora Pretpostavimo da se ustalio režim rada turbine predstavljen tačkom a u presjeku linija M ta i M ga. Ako pri isključenju nekog električnog potrošača, generator pređe na karakteristiku prestavljenu linijom M gb, a protok pare kroz turbinu ne bude promijenjen, uspostaviće se nova ravnoteža između turbine i generatora u tački b. U tom slučaju turbina i s njom povezani generator mogu preći sa jednog stabilnog režima rada na drugi, bez bilo kakvog automatskog djelovanja na ove agregate. Takva sposobnost se naziva osobina samoregulisanja, koja se sastoji u tome što se pri povećanju 346 Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije
broja obrtaja smanjuje moment turbine, a u isto vrijeme moment generatora raste uslovljen njegovim opterećenjem. Zapaža se da je vrlo velika i nedozvoljena promjena broja obrtaja turbine (n a n b ) u nastalom procesu samoregulacije (slika 7.9), jer se pri tome u širokom području mijenja frekvencija električne struje i ekonomičnost turbine. Zbog toga je neophodno održavati konstantan ili približno nepromjenljiv broj obrtaja turboagregata, pa u slučaju promjene opterećenja generatora treba, takođe, mijenjati protok pare kroz turbinu. Tako je u razmatranom primjeru, pri prelazu generatora sa karakteristike M ga na karaktristiku M gb, neophodno istovremeno mijenjati protok pare kroz turbinu ne mijenjajući karakteristiku M gb. Tada će se novi položaj ravnoteže uspostaviti u tački c, na broju obrtaja n c, koji se neznatno razlikuje od broja obrtaja turbine u tački a. Znači, kod promjene opterećenja generatora narušava se odnos između protoka pare i obrtnog momenta, te dolazi do izmjene broja obrtaja rotora. Promjena broja obrtaja će se natsaviti sve dotle dok se djelovanjem organa regulisanja ne promijeni protok pare kroz turbinu, uspostavljajući novi odnos između opterećenja i obrtnog momenta, što je upravo zadatak automatske regulacije turboagregata. Opšti oblik jednačine momenta za rotore turboagregata može da se napiše kao M gdje su: e d M el M k It I g, (7.32) d M e - obrtni moment na spojnici turbine, N m; M - korisni reaktivni moment na stezaljkama generatora, el N m; M - kočioni moment usljed gubitaka u ležajevima i toplotnih k gubitaka u generatoru, N m; I t, I g - 2 moment inercije rotora turbine i generatora, Nm s ; d - ugaono ubrzanje rotora ( d - beskonačno mali priraštaj d 2 ugaone brzine), 1/ s. Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije 347
Pri stabilnom režimu rada turbine (konstantan broj obrtaja n), ugaono d ubrzanje je 0, pa prethodna jednačina glasi: d M e M M. (7.33) el k Prethodna jednačina (7.33) može da se napiše u obliku, M e M el M k, 1000 1000 1000 odnosno N e N N, kw, (7.34) el k a u opštem obliku gdje su: d Ne Nel Nk It Ig, (7.35) 1000 d N - efektivna snaga na spojnici turbine, kw ; e N - električna snaga na stezaljkama generatora (zavisi el od spoljašnjeg opterećenja potrošača), kw ; N - gubici snage u ležajevima i u generatoru, kw ; k 2 n - ugaona brzina obrtanja (n - broj obrtaja turbine). Pri promjeni opterećenja generatora neravnoteža N el, u prvom momentu postoji N el N ili N ili N, k e e što izaziva povećanje ili smanjenje broja obrtaja turbogeneratora. 348 Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije
Povećanje N el uslovljava sniženje n i obratno. Zadatak regulisanja brzine (broja okretaja) jeste da uspostavi jednakost N e N N, el k pri bilo kojoj promjeni opterećenja N el. Dakle, sistem regulisanja broja obrtaja parne turbine treba da se sastoji iz odgovarajućih uređaja za mjerenje broja obrtaja agregata i uređaja za upravljanje ventilima za upuštanje pare u turbinu. Računska i tehnološka veza između pomenutih uređaja treba da uspostavlja ravnotežu pri svakom narušavanju odnosa između momenata turbine i generatora, održavajući broj obrtaja na nominalnom nivou. Iz jednačine za snagu (7.31) vidi se da snaga zavisi od protoka mase i toplotnog pada (jediničnog rada) pare. Na osnovu toga može se zaključiti da se promjena protoka pare odnosno snage, može ostvariti promjenom ekvivalentnog protočnog presjeka turbine, i to: prigušivanjem, tj. promjenom jediničnog rada ili entalpijskog pada (H), pri čemu se mijenja i količina protoka pare, a primjenjuje se kod nižih opterećenja; količinskim regulisanjem (mlaznička regulacija), promjenom količine pare (G) koja se upušta u protočni dio turbine, a primjenjuje se kod većih i najčešćih opterećenja; obilazno (bajpasno) regulisanje, pri čemu se dio pare obilazno usmjerava u neki međustepen, obilazeći prvi ili nekoliko prvih stepeni; kombinovanim regulisanjem, pri čemu se istovremeno koristi i prigušivanje i količinska regulacija, uz moguću primjenu i obilazne raspodjele pare. Predhodno navedeni postupci regulisanja primjenjuju se kod konstantnog pritiska pare na ulazu u turbinu. Drugi način regulisanja je sa promjenljivim pritiskom pare na ulazu u turbinu (tzv. klizni parametri), pri čemu su regulacioni ventili potpuno otvoreni. Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije 349
7.2.2. Načini uvođenja pare u turbinu u procesu regulisanja 7.2.2.1. Količinska ili mlaznička raspodjela pare Količinska regulacija predstavlja osnovni način regulisanja parnih turbina, a posebno kod stacionarnih turbina koje rade u termoelektranama. Ostvaruje se grupom mlaznica koje se dijele tako da potrebna količina pare može bez prigušivanja ulaziti u turbinu kroz više otvorenih ventila koji su predviđeni za grupu mlaznica (parcijalno punjenje), slika 7.10. RV 1 2 3 4 5 I II III IV V GV ZV donja grupa mlaznica - stalno otvoren protok Slika 7.10. Šema raspodjele pare pri količinskoj (mlazničkoj) regulaciji parne turbine i sa neregulisanom grupom mlaznica Glavni ventil (GV) uglavnom je potpuno otvoren ili u tolikoj mjeri da nema prigušivanja pare. Ulaz pare u donju grupu mlaznica je slobodan i bez prigušivanja, ali takva izvedba nije primjenjena kod svih turbina koje imaju ovaj tip raspodjele pare u svrhu regulisanja. Donja grupa mlaznica nema 350 Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije
svoj regulacioni ventil i sa njima se upravlja preko glavnog brzozatavrajućeg ventila (GV). Pri povećanju opterećenja otvara se najprije ventil (1) grupe mlaznica I, a sa daljim povećanjem opterećenja otvaraju se postepeno ostali regulacioni ventili od 2 do 5 i uvode paru u grupu mlaznica II do V. Kada su položaji ventila između potpuno zatvorenog i potpuno otvorenog stanja (međupoložaj), ne postoji prigušivanje ako je protok pare (opterećenje) usklađen sa protočnim presjekom regulacionog ventila pa nema prigušenja pritiska. Prigušuje se samo para koja prolazi kroz ventil koji se upravo otvara ili pritvara. Razmatrani primjer turbine sa pet regulacionih ventila i pet grupa mlaznica (slika 7.10) ima dobru promjenu snage sa najmanje gubitaka koji nastaju zbog procesa regulisanja. To se odnosi na pet tačaka, tj. kada su potpuno otvoreni jedan, dva, tri ili više ventila. U pomenutim tačkama nastaju najmanji gubici radne sposobnosti pare zbog procesa prigušivanja i nazivaju se ventilske tačke. Kod mlazničkog regulisanja, dovod pare u pretkolo regulacionog stupnja nije osno simetrično, osim za potpunu otvorenost parnog broja regulacionih ventila U ekstremnim slučajevima nesimetrije može doći do deformacije i iskrivljenja kućišta. Iz pomenutog razloga, često je regulacija podešena tako da se istovremeno otvaraju po dva regulaciona ventila, koji snabdijevaju parom osno simetrične grupe mlaznica. Tako na primjer, u turbinama K-300-240 (LMZ) u TE Gacko i TE Ugljevik (300 MW), takođe je primjenjena mlaznička raspodjela pare sa 4 mlazničke komore i 7 izdvojeno ugrađenih regulacionih ventila. Tri, od ukupno četiri, malazniče komore imaju po 16 usmjeravajućih (mlazničkih) lopatica i svaka se snabdijeva parom preko dva regulaciona ventila (jedan ventil prečnika 75 mm, a drugi 120 mm). Iz regulacionih ventila broj 1 i 3, 2 i 4, 5 i 6, kao i ventila broj 7, para ulazi u prvu, drugu, treću i četvrtu mlazničku komoru, respektivno. Regulacioni ventili se otvaraju u skladu sa povećanjem protoka pare kroz turbinu slijedećim redoslijedom: broj 1 i 2, 3 i 4, a zatim broj 5, 6 i 7. Nominalni protok pare kroz turbinu iznosi 264 kg/s. Regulacioni ventili broj 5 i 6, povezani sa trećom mlazničkom komorom, omogućuju promjenu protoka pare od 67 do 96%. Daljnje povećanje protoka pare do nominalne vrijednost ostvaruje se otvaranjem regulacionog ventila broj 7, koji daje paru u četvrtu mlazničku komoru. U poglavlju 7.1.3, obrađen je promjenljivi režim rada u grupi stupnjeva turbine, pri čemu je formulama (7.20), (7.20.a) i drugim izrazima Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije 351
data zavisnost relativnog protoka pare u funkciji promjene pritiska ispred i iza grupe stupnjeva. Za posmatranu grupu stupnjeva (slika 7.5), pretpostavljeno je da su oni postavljeni u nizu i da je mali pad pritiska i entalpija od stupnja do stupnja. Postavlja se pitanje za koliki broj stupnjeva važe izvedene formule. Višegodišnje iskustvo u primjeni tih formula i posebni proračuni pokazuju da se za grupu više od 4 stupnja mogu primjenjivati pomenute formule sa dovoljnom tačnošću. Za manji broj stupnjeva treba izabrati nešto tačnije metode proračuna. To znači da se regulacioni stupanj turbine koji je uvijek prvi u određenoj grupi stupnjeva, ne može svrstati u tu grupu i na njega se ne može primjeniti Stodolin metod proračuna. Turbina visokog pritiska (TVP) koja je u sastavu turbine K-300-240, ima regulacioni stupanj, a zatim slijedi grupa od 5 stupnjeva u unutrašnjem dijelu kućišta i 6 stupnjeva u koje ulazi para nakon zaokreta za 180 0. Pomenuti metod proračuna mogao bi se primjeniti i na ovu grupu stupnjeva (5+6), s tim da bi se kao ulazni pritisak pred mlaznicama (p I0, p I ) mogao uzeti znatno niži pritisak pare u regulacionoj komori. To je i osnovni razlog što se daje nešto veći osvrt na toplotni proces pri mlazničkom (količinskom) regulisanju turbine K-300-240, koja je ugrađena u naše termoelektrane. Promjena opterećenja turbine K-300-240 (LMZ) pri protocima pare manjim od 67% nominalnog protoka vrši se prigušivanjem pare na regulacionim ventilima broj 1 4 (slika 7.11). Nužnost prigušivanja pare pri protocima manjim od 177 kg/s, uz smanjivanje nominalnog pritiska pred turbinom, uslovljeno je sigurnošću radnih lopatica regulacionog stupnja turbine, kao i potrebom za održavanje stabilnog temperaturnog režima TVP pri promjeni opterećenja. Tako na primjer, ako bi se održao konstantan pritisak pare pred mlaznicama regulacionog stupnja (23,5 MPa) i pri protoku pare od 103 kg/s (39% od nominalnog), došlo bi do povećanja djelovanja sila na radne lopatice regulacionog stupnja za oko 11 puta u odnosu na nominalno opterećenje, 134. Naravno, to se dešava zbog promjene pritiska pare u komori regulacionog stupnja sa 18,5 na 7 MPa. Pri takvom procesu pojavljuju se i druge ekstremne vrijednosti (slika 7.11): izentropski tolotni pad u regulacionom stupnju mijenja se od 68 kj/kg na 348 kj/kg i temperatura pare u komori regulacionog stupnja opada na 327 0 C, u odnosu na nominalni režim od 500 0 C. Takve promjene vrijednosti djelujućih sila i temperatura pare nisu dozvoljene sa stanovišta pouzdanosti i fleksibilnosti u radu turbine. 352 Parne turbine za kogeneracijsku proizvodnju energije