Устройство и конструкционные характеристики паротурбинных энергетических установок


Е. А. БОЙКО











УСТРОЙСТВО
И КОНСТРУКЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРОТУРБИННЫХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК


Учебное пособие















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.165
ББК 31.363
      Б77





Рецензенты: кандидат технических наук, доцент, начальник отдела службы испытания и наладки тепломеханического оборудования
АО «Красноярский инженерно-аналитический центр»
ООО «Сибирская генерирующая компания» Панковский Сергей Владимирович; кандидат технических наук, доцент, главный специалист дирекции по техническому перевооружению и новому строительству ОСП «Сибирьэнергомонтаж» АО «Сибирьэнергоремонт» Янов Сергей Романович





        Бойко, Е. А.

Б77 Устройство и конструкционные характеристики паротурбинных энергетических установок : учебное пособие / Е. А. Бойко. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 368 с. : ил.; табл.
         ISBN 978-5-9729-0660-4

     Представлены устройство и конструктивные характеристики энергетических стационарных паровых турбин мощностью 25 МВт и выше, предназначенных для привода электрических генераторов трехфазного тока. Приведены типовые конструкции узлов и элементов, технические характеристики и описание конструктивных особенностей паротурбинных установок и вспомогательного оборудования.
     Для студентов энергетических и технических вузов тепло- и электроэнергетических, энергомашиностроительных направлений подготовки. Может быть полезно производственно-техническим специалистам, занятым проектированием, наладкой и эксплуатаций паротурбинных установок тепловых электростанций.

                                                           УДК 621.165
                                                           ББК 31.363





ISBN 978-5-9729-0660-4

  © Е. А. Бойко, 2021
  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ПРЕДИСЛОВИЕ

     Современная техника паровых турбин основывается на развивавшихся в течение длительного времени своеобразных конструктивных решениях. Эти решения коренным образом сказывались на главнейших техникоэкономических показателях турбинных энергетических установок. Примером этого является постепенное совершенствование конструкции последних лопаток паровых турбин, приведшее к повышению мощности па один выхлоп до 100 МВт. Знание основных идей, используемых в современном турбостроении, является обязательным условием самостоятельной и активной инженерной деятельности в этой области. При этом следует иметь представление не только об общем устройстве агрегатов, но и о конструкции отдельных узлов и их главных деталей. Так как сведения об общем устройстве паровых турбин в достаточном объеме представлены в существующей технической литературе, включая и ряд атласов по паровым и газовым турбинам, в настоящем издании особое внимание уделяется конструкциям отдельных элементов турбин. Не связывая эти конструктивные решения с конкретным разбором устройства той или иной турбины, автор предоставляет возможность читателю самому решать задачу выбора рациональных конструктивных решений при разработке конструкции машины. Это, вероятно, повысит степень самостоятельности студентов при проектировании турбин.
     В данном учебном пособии описаны типовые конструкции узлов и деталей энергетических стационарных паровых турбин мощностью 25 МВт и выше, выпускаемых производственными объединениями турбостроения «Ленинградский Металлический завод» (ПОТ ЛМЗ) и «Турбомоторный завод» им. К.Е. Ворошилова (ПОТ ТМЗ) и предназначенные для привода электрических генераторов трехфазного тока. Даны технические характеристики и конструктивные особенности паротурбинных установок, вспомогательного оборудования.
     Описание каждой паротурбинной установки дополнено сведениями о ее технических возможностях при работе на номинальных и переменных режимах, особенно при работе на теплофикационных режимах, что позволяет более строго судить о технических достоинствах турбины.
     В учебном пособии приведены сведения о развитии паротурбостроения за рубежом и даны аналоги выпускаемых отечественными заводами энергетических паровых турбин.
     Данное пособие предназначено студентам вузов, обучающимся по направлениям и уровням подготовки: 13.03.01 и 13.04.01 - теплоэнергетика и теплотехника; 13.03.03 и 13.04.03 - энергетическое машиностроение, для выполнения курсового и дипломного проектирования, а также может быть использовано производственно-техническим персоналом, занимающимся проектированием, наладкой и эксплуатаций паротурбинных установок тепловых электростанций.

1. УСТРОЙСТВО ПАРОВЫХ ТУРБИН

     Стационарные паровые турбины классифицируются по ряду признаков на следующие типы:
     1.      По назначению различают турбины энергетические, промышленные и вспомогательные.
     Энергетические турбины служат для привода электрического генератора, включенного в энергосистему, и отпуска теплоты крупным потребителям, например жилым районам, городам и т. д. Их устанавливают на крупных ТЭС и АЭС. Энергетические турбины характеризуются прежде всего большой мощностью, а их режим работы — практически постоянной частотой вращения. Подавляющее большинство энергетических турбин выполняют на номинальную частоту вращения 3000 1/мин. Их называют быстроходными. В последние годы некоторые мощные турбины для АЭС стали выполнять тихоходными - на частоту вращения 1500 1/мин.
     Промышленные турбины также служат для производства теплоты и электрической энергии, однако их главной целью является обслуживание промышленного предприятия, например металлургического, текстильного, химического, сахароваренного и др. Часто такие турбины работают на маломощную индивидуальную электрическую сеть, а иногда используются для привода агрегатов с переменной частотой вращения, например воздуходувок доменных печей. Мощность промышленных турбин существенно меньше, чем энергетических.
     Вспомогательные турбины используются для обеспечения технологического процесса производства электроэнергии - обычно для привода питательных насосов и воздуходувок котла.
     2.      По характеру теплового процесса различают турбины конденсационные и теплофикационные. Их маркировка выполняется в строгом соответствии с государственным стандартом.
     В конденсационных турбинах (типа К) нар из последней ступени отводится в конденсатор, они не имеют регулируемых (при неизменном давлении) отборов пара, хотя, как правило, имеют много нерегулируемых отборов пара для регенеративного подогрева питательной воды, а иногда и для внешних тепловых потребителей. Главное назначение конденсационных турбин - обеспечивать производство электроэнергии, поэтому они являются основными агрегатами мощных ТЭС и АЭС. Мощность самых крупных конденсационных турбоагрегатов достигает 1000 - 1200 МВт.
     Теплофикационные турбины имеют один или несколько регулируемых отборов пара, в которых поддерживается заданное давление. Они предназначены для выработки тепловой и электрической энергии. Теплофикационная турбина может выполняться с конденсацией пара и без нее. В первом случае она может иметь отопительный отбор пара (турбины типа Т) для

отопления зданий, предприятий и т. д. или производственный отбор пара (турбины типа П) для технологических нужд промышленных предприятий или тот и другой отборы (турбины тина ПТ). Во втором случае турбина носит название турбины с противодавлением (турбины типа Р). В ней пар из последней ступени направляется не в конденсатор, а обычно производственному потребителю. Таким образом, главным назначением турбины с противодавлением является производство пара заданного давления (в пределах 0,3-3 МПа). Турбина с противодавлением может также иметь и регулируемый отбор пара, и тогда она относится к типу ТР или ПР.
     Теплофикационные турбины с отопительным отбором пара (типа Т) спроектированы так, чтобы при максимальной теплофикационной нагрузке ступени, расположенные за зоной отбора, мощности не вырабатывали. В последние годы ряд турбин проектируются так, что даже при максимальной теплофикационной нагрузке последние ступени вырабатывают мощность. Такие турбины относятся к типу ТК.
     Для обозначения типов турбин ГОСТ предусматривает специальную маркировку, состоящую из буквенной и числовой частей.
     Буквенная часть указывает тип турбины, следующее за ней число -номинальную мощность турбины в мегаваттах. Если необходимо указать и максимальную мощность турбины, то ее значение приводят через косую черту. Следующее число указывает номинальное давление пара перед турбиной в кгс/см² (для новых турбин - в МПа); для теплофикационных турбин далее через косую черту указывают давление в отборах или противодавление в кгс/см².
     Наконец, последняя цифра, если она имеется, указывает номер модификации турбины, принятый на заводе-изготовителе.
     Приведем несколько примеров обозначений турбин.
     Турбина К-210-130-3 - типа К, номинальной мощностью 210 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 12,8 МПа (130 кгс/см²), третьей модификации.
     Турбина П-6-35/5 - типа П, номинальной мощностью 6 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 3,4 МПа и абсолютным давлением отбираемого пара 0,5 МПа.
     Турбина Т-110/120-130 - типа Т, номинальной мощностью 110 МВт и максимальной мощностью 120 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 12,8 МПа.
     Турбина ПТ-25/30-90/10 - типа ПТ. номинальной мощностью 25 МВт и максимальной мощностью 30 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 8,8 МПа и абсолютным давлением отбираемого пара 1 МПа.
     Турбина Р-100/105-130/15 - типа Р, номинальной мощностью 100 МВт и максимальной мощностью 105 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 12.8 МПа и абсолютным противодавлением 1,45 МПа.

Турбина ПР-12/15-90/15/7 - типа ПР, номинальной мощностью 12 МВт и максимальной мощностью 15 МВт, с начальным абсолютным давлением 8,8 МПа, давлением в отборе 1,45 МПа и противодавлением 0,7 МПа.
     Для турбин АЭС, частота вращения которых может составлять как 3000 1/мин, так и 1500 1/мин, иногда указывают частоту вращения. Например, турбина паровая К-500-60/1500 выполнена на частоту вращения 1500 1/мин.
     3.      По используемым начальным параметрам пара паровые турбины можно разделить на турбины до-критического и сверхкритического начального давления, перегретого и насыщенного пара, без промежуточного перегрева и с промежуточным перегревом пара.
     Все турбины для ТЭС выполняют для работы на свежем (остром) перегретом паре, турбины для АЭС в подавляющем большинстве случаев - на насыщенном паре или с очень малой степенью влажности.
     Турбины для мощных ТЭС выполняют на начальные сверхкритические параметры пара и с промежуточным перегревом. Эти мероприятия существенно повышают экономичность.
     Для ТЭЦ за редким исключением экономически целесообразным оказывается строительство турбин на докритические начальные параметры без промежуточного перегрева.
     Турбины насыщенного пара выполняют с промежуточными сепарацией и перегревом свежим паром.
     4.      По конструктивным особенностям турбины можно разделить по числу цилиндров, по числу валопроводов и по типу ступеней, применяемых в части высокого давления.
     По числу цилиндров различают турбины одно- и многоцилиидровые. Одноцилиндровыми удается выполнить лишь турбины со значительным противодавлением, теплоперепад которых сравнительно мал. Большинство турбин выполняют многоцилиндровыми. Это позволяет получить более высокую мощность в одном агрегате, что удешевляет и турбину, и электростанцию. Наибольшее число цилиндров, из которых состоит современная турбина - 5.
     По числу валопроводов различают турбины одновальные (имеющие один валопровод - соединенные муфтами роторы отдельных цилиндров и генератора) и двухзальные (имеющие два валопровода каждый со своим генератором и связанные только потоком пара). У нас в стране имеется единственная двухзальная турбина мощностью 800 МВт.
     По типу ступеней, применяемых в части высокого и среднего давления, различают турбины активные (с малой степенью реактивности) и реактивные (со степенью реактивности около 0,5). У нас в стране строят турбины, имеющие диафрагменную конструкцию и дисковые роторы.
     Рассмотрим устройство паровых турбин на примере конденсационной турбины К-225-12,8 (рис. 1.1.). Турбина К-225-12,8 сконструирована на начальные параметры 12,8 МПа и 565 °С с промежуточным перегревом пара

до 565 °C. Давление в конденсаторе 3,46 кПа. Тепловая схема обеспечивает подогрев питательной воды до 240 °C в четырех подогревателях низкого давления, деаэраторе на 0,7 МПа и трех подогревателях высокого давления.


Рис. 1.1. Паровая турбина К-225-12,8: 1 - паропровод подвода свежего пара к ЦВД; 3 -кожух; 3 - сервомотор регулирующего клапана ЦСД; 4 - регулирующий клапан ЦСД; 5 -ротор ЦСД; 6 - ресиверная труба, перепускающая пар из ЦСД в ЦНД; 7 - опора ротора ЦНД; 8 - верхняя половина корпуса ЦНД; 9 - паровпускная камера ЦНД; 10 -атмосферный клапан, открывающийся при недопустимом повышении давления в выходном патрубке ЦНД; 11 - ротор ЦНД; 12 - полумуфта для присоединения ротора электрогенератора; 13 - поверхности горизонтального разъема корпусов цилиндра; 14 -выходной патрубок ЦНД, из которого пар поступает в конденсатор, расположенный под турбиной; 15 - опорный пояс ЦНД; 16 - вкладыш заднего подшипника ЦНД; 17 - рабочие лопатки последней ступени ЦНД; 18 - нижняя половина корпуса ЦНД; 19 - переднее концевое уплотнение ЦНД; 19 - вкладыш переднего опорного подшипника ЦНД; 20 -муфта, соединяющая роторы ЦСД и ЦНД; 21 - выходной патрубок ЦСД; 22 - вкладыш заднего опорного подшипника ЦСД; 23 - нижняя половина корпуса ЦСД; 24 - рабочие лопатки ротора ЦСД; 25 - паровпускная камера ЦСД; 26 - переднее концевое уплотнение ЦСД; 27 - нижняя половина средней опоры валопровода; 28 - опорный вкладыш среднего подшипника; 29 - гребень упорного подшипника; 30 - муфта, соединяющая роторы ЦВД и ЦСД; 31 - заднее концевое уплотнение ЦВД; 32 - паровпускная камера для острого пара; 33 - паропровод подвода пара к ЦВД (такой же, как и 1); 34 - внутренний корпус ЦВД; 35 - верхняя фундаментная плита; 36 - выходной патрубок отвода пара из ЦВД на промежуточный перегрев; 37 - выходная камера ЦВД; 38 - нижняя половина внешнего корпуса ЦВД; 39 - переднее концевое уплотнение ЦВД; 40 - нижняя половина корпуса передней опоры ЦВД; 41 - вкладыш переднего опорного подшипника ЦВД; 42 - механизм управления турбиной; 43 - блок регулирования и управления турбиной; 44 - передняя опора; 45 - верхняя половина внешнего корпуса ЦВД; 46 - ротор ЦВД

Пар от котла по двум паропроводам диаметром 325 мм подводится к двум стопорным клапанам цилиндра высокого давления (ЦВД), от которых поступает к четырем регулирующим клапанам.
     Турбина имеет сопловое парораспределение, при котором регулирующие клапаны работают последовательно, прикрываясь или открываясь один за другим при изменении мощности, и от каждого клапана пар подается к своей сопловой коробке с сопловыми лопатками первой ступени. Эта ступень называется регулирующей. Пройдя регулирующую ступень и 11 нерегулируемых ступеней ЦВД, пар с параметрами 2,52 МПа и 347 °C по двум паропроводам отводится в промежуточный пароперегреватель котла, откуда с параметрами 2,31 МПа и 565 °C поступает к двум блокам стопорных клапанов цилиндра среднего давления (ЦСД). Работа стопорных клапанов ЦСД увязывается с работой сбросных клапанов. При открытых стопорных клапанах и закрытых сбросных пар направляется в ЦСД, а при закрытых стопорных и открытых сбросных - в конденсатор.
     После стопорных клапанов ЦСД пар поступает к четырем регулирующим клапанам. Работа регулирующих клапанов ЦСД отличается от работы клапанов ЦВД тем, что клапаны ЦСД участвуют в регулировании расхода только при очень малой мощности - от нуля до 30%. Их работа особенно важна при резких сбросах нагрузки с отключением электрического генератора от сети, когда необходимо удержать турбину на холостом ходу. При больших нагрузках регулирующие клапаны ЦСД полностью открыты и в регулировании мощности не участвуют.



Рис. 1.2. Продольный разрез паровой турбины К-225-12,8

Пройдя 11 ступеней ЦСД, пар с параметрами 0,16 МПа и 235 °C по двум ресиверным трубам диаметром 1,52 м направляется в двухпоточный цилиндр низкого давления (ЦНД). В каждом потоке ЦНД содержится по 4 ступени. Из выходного патрубка турбины пар поступает в конденсатор 200-КЦС-2. Роторы ЦВД, ЦСД, ЦНД и электрического генератора соединены жесткими муфтами. Ротор ЦВД-цельнокованый, из стали Р2М. В центре ротора просверлено отверстие для контроля качества поковки на этапе изготовления и для осмотра при капитальных ремонтах. Ротор ЦСД-комбинированный: передняя часть ротора цельнокованая, из стали Р2М, а последние четыре диска-насадные, из стали 34ХН3М. Ротор ЦНД-сборный: на вал из стали Р2 насажены диски из стали 34ХН3М.
     Турбина опирается на фундамент корпусами переднего и среднего подшипников, а также опорным поясом корпуса ЦНД. Фикспункт турбины расположен на опорной раме ЦНД. От фикспункта корпуса цилиндров и подшипников могут свободно расширяться в продольном направлении, скользя по горизонтальным шпонкам, установленным на фундаментных рамах. В турбине предусмотрен паровой обогрев фланцев и шпилек, а также подача пара на уплотнения. Продольный разрез турбина К-225-12,8 представлен на рис. 1.2.
     На рис. 1.3. представлена паровая турбина КТ-115-8,8. Двухцилиндровая конденсационная паровая турбина с двумя выхлопами в конденсатор, одноступенчатым регулируемым отбором пара на теплофикацию и нерегулируемым отбором пара на производство.
     Регулирование давления пара теплофикационного отбора осуществляется регулирующими клапанами, установленными на перепускных трубах из цилиндра высокого в цилиндр низкого давления.
     Предусмотрена возможность установки турбины на существующие фундаменты турбин аналогичного класса в случае их замены по исчерпанию ресурса с максимальным использованием существующих строительных конструкций.
     На рис. 1.4. представлена одноцилиндровая конденсационная паровая турбина с двумя регулируемыми отборами пара - на производство и теплофикацию, ПТ-30-3,4. Турбина предназначена для замены отработавших ресурс турбин серий АП и AT, а также для вновь строящихся и расширяемых ТЭЦ промышленных предприятий (металлургических, химических, бумагоделательных производств) и отопительных ТЭЦ. Турбина ПТ-30-3.4 является базовой для перспективной серии теплофикационных турбин малой мощности: ПТ-30-2,9; ПТ-35/50-3,2. Турбины изготавливаются по индивидуальным проектам с учетом параметров пара и специфики конкретного производства.