СОПЛОВОЕ ПАРОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ С МИНИМАЛЬНЫМ ДРОССЕЛИРОВАНИЕМ ПАРА

Изобретение относится к теплоэнергетике, к конструкции и оптимальной работе соплового парораспределения паровых турбин. КПД регулирующих ступеней ниже остальных ступеней, так как на многих режимах происходит дросселирование пара в регулирующих клапанах. В последнее время в сопловом парораспределении паровых турбин вместо кулачкового привода применяется независимое управление клапанами, что предоставляет новые возможности по повышению эффективности парораспределения.

За прототип принимаем комбинаторное позиционирование клапанов, предложенное в статье А.В. Бойко, А.П. Усатый “Комбинаторный алгоритм управления регулирующими клапанами системы соплового парораспределения”. Вестник НТУ “ХПИ”. “Энергетические и теплоэнергетические процессы и оборудование". 2011, №5, с. 5-14, где получено повышение экономичности за счет поочередного открытия и закрытия шести клапанов турбины К-310-240. Недостатки разработанного варианта:

- Повышение экономичности получено на расходах до 60% от максимального, на которых турбина работает ограниченное число часов, а работа при расходе менее 30% от максимального обычно запрещена.

- В работе комбинаторное регулирование осуществляется на существующих сегментах турбины К-310-240 и не рассматривается возможность подбора новых типоразмеров. При больших расходах потери от дросселирования не отличаются от потерь при кулачковом приводе.

Целью данного изобретения является создание высокоэффективного соплового парораспределения с независимым позиционированием клапанов за счет выбора оптимальных выходных площадей сопел в сегментах и комбинирования полностью открытых клапанов с дросселирующим пар клапаном, сегмент которого имеет минимальную выходную площадь сопел F_min, которой соответствует минимальное количество сопел z_min.

Известно, что экономичность соплового парораспределения определяется количеством дросселируемого пара и степенью его дросселирования. Кривая зависимости КПД от расхода пара у классического соплового парораспределения с четырьмя примерно одинаковыми сопловыми сегментами имеет четыре явно выраженных пика, между которыми находятся вогнутые участки. Пики на данной кривой соответствуют моментам, когда работают только полностью открытые клапаны. Потери от дросселирования при этом минимальны. Вогнутые участки отображают моменты, когда в работе находятся частично открытые клапаны. На данных режимах появляются потери от дросселирования, которые тем больше, чем больше площадь сопел в сегментах, клапаны которых открыты не полностью. Таким образом, необходимо создать парораспределение с дросселированием пара в клапанах, сегменты которых имеют минимальные площади сопел, на всех режимах.

Для этого воспользуемся двоичным представлением числа, каждая позиция которого является членом геометрической прогрессии со знаменателем 2. Известно, что любое целое число можно представить как набор 0 и 1. Единице в первом разряде сопоставим некоторое минимальное количество сопел z_min. Если в каждом из первых двух сегментов сопел разместить по z_min сопел, а в последующих сегментах увеличивать каждый раз число сопел в 2 раза и в последнем сегменте число сопел z_пос выбрать из условия необходимого суммарного количества сопел регулирующей ступени z_sum, то любой режим работы турбины можно обеспечить комбинацией полностью открытых клапанов и частично открытого первого клапана, сегмент которого имеет количество сопел z_min. Например, при суммарном количестве сопел 64 и выбранном z_min=4 нужно взять сегменты со следующим количеством сопел: 4, 4, 8, 16, 32. В этом случае число сопел сегмента последнего клапана равно 32 и является одним из членов геометрической прогрессии со знаменателем 2. Если расход пара на данном режиме может быть обеспечен числом сопел кратным z_min, например 52 сопла, клапаны которых полностью открыты, то необходимо полностью открыть клапаны, которым соответствуют сегменты с 4, 16, 32 соплами. Задача первого сегмента обеспечить дросселирование пара, когда расход пара не может быть обеспечен числом сопел кратным z_min, клапаны которых полностью открыты. Например, если для данного расхода необходимо 48 сопел, клапаны перед которыми полностью открыты и от 1 до 4 сопел, клапаны которых открыты частично, то необходимо полностью открыть клапаны сегментов с 16, 32 соплами и приоткрыть клапан первого сегмента с 4 соплами.

При таком выборе максимальный сегмент будет иметь половину от общего количества сопел, что затрудняет его размещение, а также вызывает большие усилия на открытие его клапана и др. Поэтому обычно вводится ограничение на максимальное количество сопел в одном сегменте z_max и большие сегменты представляются в виде нескольких, в данном случае двух, имеющих по 16 сопел, которые всегда открываются одновременно.

Учитывая, что площадь сопел выполняется с определенным допуском, для обеспечения при любом расходе дросселирования только в одном первом клапане сопла его сегмента необходимо выполнить с положительным допуском на выходную площадь, компенсирующим плюсовые допуска всех сопел сегментов с полностью открытыми клапанами, что можно осуществить за счет увеличения горла, высоты сопел или увеличения количества сопел первого сегмента.

Если общее количество сопел не может быть представлено в виде предложенного ряда, то последний сегмент уменьшается до необходимого количества сопел z_пос.

Краткое описание реализации предложенного парораспределения для случая z_sum=71, выбираем варианты распределения сопел в сегментах для z_min=1, 2…:

Z_min=1: 1, 1, 2, 4, 8,16, 32, 7, т.е. z_пос=7;

z_min=2: 2, 2, 4, 8, 16, 32, 7, т.е. z_пос=7;

z_min=3: 3, 3, 6, 12, 24, 23, т.е. z_пос=23;

Z_min=4: 4, 4, 8, 16, 32, 7, т.е. z_пос=7.

Минимальное дросселирование и самая высокая экономичность будут в первом случае (дросселирование клапана сегмента с одним соплом), но и количество клапанов максимальное, равное 8. Известно, что при примерно равном количестве сопел в сегментах рекомендуется не более 8…12 клапанов, так как эффект от дальнейшего увеличения небольшой. Поэтому рекомендуем вариант z_min=3 или z_min=4. Если принять z_max=16, то для последнего случая имеем следующее количество сопел в сегментах: 4, 4, 8, 16, 32=16+16,7.

Если количество z_sum=64, то получаем 4, 4, 8, 16, 16, 16, то есть 6 клапанов, что равно количеству клапанов в турбине К-310-240. В этом случае дросселирование при любом заданном расходе будет происходить в клапане первого сегмента с 4 соплами, в то время как в современных турбинах дросселирование происходит в клапанах сегментов с количеством сопел 10…16.

При соблюдении указанных выше условий выбора количества сопел в сегментах для любого заданного расхода можно подобрать комбинацию полностью открытых клапанов и первого не полностью открытого клапана. Утверждение основано на том, что любое целое число может быть представлено в двоичной системе с помощью 0 и 1. Комбинация полностью открытых клапанов определяется следующим образом. Для данного расхода определяется необходимое количество сопел, клапаны перед которыми полностью открыты, округленное до целого числа в большую сторону. Берется неполное частное z_ц от деления полученного числа на принятое z_min. Результат представляется в двоичном виде. Единицам будут соответствовать полностью открытые клапаны. Последнему разряду соответствует второй клапан, предпоследнему разряду третий и т.д. Например, для рассмотренного случая с z_sum=71, z_min=4 при необходимости обеспечить расход, получающийся когда в работе участвуют 50 сопел с полностью открытыми клапанами и 1 сопло с не полностью открытым клапаном (допустим наполовину), получаем z_ц=51/4=12 (обратная наклонная черта обозначает операцию неполного частного, иногда ее называют целочисленным делением). В двоичной системе 12 представляется в виде 1100. Значит, необходимо полностью открыть четвертый и пятый клапаны. В итоге получаем количество сопел с полностью открытыми клапанами 16+32=48, а оставшийся расход, соответствующий 2 соплам с полностью открытыми клапанами и 1 соплу с клапаном, открытым наполовину, получается дросселированием первого клапана сегмента с 4 соплами. Если имеется сегмент последнего клапана, не кратный z_min, то он открывается при необходимом количестве сопел большем, чем z_sum-z_пос, и z_ц определяется от этой величины. Для расхода, соответствующего 69 соплам с полностью открытыми клапанами, получаем z_ц=(69-7)/4=15. В двоичной системе 15 представляется как 1111, а значит, будут полностью открыты второй, третий, четвертый, пятый, последний и частично первый клапаны.

Распределение сопел по сегментам, обеспечивающее представление любого числа, можно выбрать и по закону Фибоначчи: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21…, в котором каждое значение равно сумме двух предыдущих. Но возрастание чисел в этой последовательности более медленное, чем в геометрической прогрессии, что приведет к увеличению количества клапанов. Но для последних клапанов имеется ограничение по площади из-за больших усилий для открытия клапанов. Поэтому большой клапан рекомендуется реализовывать в виде двух параллельно работающих клапанов меньшего размера. Кроме того, если количество сопел сегмента последнего клапана равно половине суммарного количества сопел регулирующей ступени, то при пусках не будет возможности для более равномерного прогрева открывать одновременно 2 небольших сегмента, расположенных в разных половинах соплового аппарата. Поэтому количество сопел в последнем сегменте можно определить по закону Фибоначчи. Например, возможен такой вариант распределения сопел по сегментам: 4, 4, 8, 16, 24. То есть при пяти клапанах мы будем иметь 56 сопел и расположить в верхней половине сегменты с 4, 24, а в нижней половине 4, 8, 16 соплами.

Переход от одного состояния открытых клапанов к другому обеспечивается системой регулирования за некоторое время Δt. Во время смены комбинации полностью открытых клапанов дросселирование происходит во всех задействованных клапанах, но из-за малости промежутка времени Δt потери незначительны.

Предложенное парораспределение в наибольшей мере использует возможности независимого позиционирования клапанов и экономичнее известных решений, так как дросселируется минимальное количество пара при данном z_min. Так при z_min=1 пар дросселируется в клапане сегмента с одним соплом. По сравнению с традиционным парораспределением с примерно одинаковым количеством сопел в сегментах использование изобретения позволяет существенно уменьшить потери от дросселирования на всех расходах пара при сохранении количества клапанов или уменьшить количество клапанов при сохранении потерь от дросселирования.