Energetske maine

Parne turbine 5.1

Poglavlje 5

PROMJENLJIVI REIMI RADA, REGULACIJA I ZATITA PARNIH TURBINA

5.1. RAD TURBINE U PROMJENLJIVOM REIMU RADA I KONUS PROTOKA PARE

5.1.1. O uzrocima promjenljivosti reima rada turbine

Projektovanje i izgradnja parnih turbina vri se za jedan raunski ili nominalni reim rada, u kome to energetsko postrojenje radi najdui vremenski period u svom ivotnom vijeku, te u tom reimu ima najvei stepen iskorienja odnosno najmanju specifinu potronju pare ili toplote po jedinici proizvoda (npr. kJ/kWh ili kg/kWh). Znai, vri se izbor profila i geometrijskih karakteristika usmjeravajuih i radnih reetaka, kao i odgovarajueg materijala za jedan najekonominiji proraunski (nominalni) reim rada: polazni parametri i protok (potronja) svjee pare, potronja i protoci na regulisanim i neregulisanim oduzimanjima pare, raspoloivi toplotni padovi, broj obrtaja i sl.

Za ovaj reim rada odreuju se brzine strujanja pare, definiu

trouglovi brzina, odreuju se stepeni reakcije, biraju profili usmjeravajuih (sprovodnih) i radnih reetki, definiu stepeni korisnosti stupnjeva i turbine u cjelini, kao i drugi pokazatelji rada turbinskog postrojenja.

Energetske maine

Parne turbine 5.2

Parne turbine ne rade uvijek sa konstantnim nominalnim optereenjem niti sa konstantnim ostalim parametrima. Postoji nekoliko osnovnih uzroka zbog kojih turbina radi u promjenljivom reimu rada:

1) Ako turbina pogoni elektrini generator u elektroenergetskom

sistemu, onda odluujui uticaj na njen reim rada ima nestabilnost optereenja energetskog sistema.

2) Naini eksploatacije mogu usloviti da turbina znaajan dio vremena

radi sa promjenljivim protocima pare kroz turbinu: za vrijeme putanja u rad i zaustavljanja turbinskog (blokovskog)

postrojenja; odstupanja poetnih (pritisak i temperatura pare na ulazu) i

konanih parametara pare usljed tehnolokih problema u pogonu, kao to su potekoe na kotlu, rashladnom sistemu ili problemi kod potroaa tehnoloke pare (varira potronja oduzimne pare) i drugo;

kvarovi u protonom dijelu turbine kod kojih dolazi do promjene geometrije lopatica ili privremeni rad turbine bez lopatica u nekom stupnju, kao i tekoe koje nastaju usljed zasoljavanja protonog 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 slinih radnih maina.

Navedeni promjenljivi reimi 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 reim rada parne turbine. S obzirom da je sigurnost u radu jedan od primarnih faktora u toku eksploatacije parnih turbina, mora biti obezbjeena stabilnost u radu u svim domenima koji su predvieni za rad parnih turbina.

Parne turbine, koje pokreu elektrini generator, imaju priblino konstantan broj obrtaja, uslovljen frekvencijiom mree, pa iz tih razloga kod

Energetske maine

Parne turbine 5.3

promjene njihovog optereenja, obimne brzine ostaju konstante. Meutim, ove turbine su izloene promjeni optereenja odnosno mijenja se protok pare kroz turbinu usljed promjene elektrinog optereenja diktiranom promjenom optereenja u energetskom sistemu. Optereenje energetskog sistema mijenja se u toku dana, sedmice i godinjih sezona. Tako se dnevna neravnomjernost objanjava nejednakim reimom potreba za elektrinom energijom razliitih grupa potroaa (osvjetljenje i potronja u stanovima, komunalna potronja, industrija). Ova neravnomjernost se karakterie koeficijentom neravnomjernosti dijagrama optereenja (potronje), koji predstavlja odnos minimalne i maksimalne snage u toku jednog dana. Na slian nain se definiu i sedmini, sezonski i godinji koeficijenti neravnomjernosti.

Najvea razlika izmeu maksimalne i minimalne snage (optereenja,

potronje) u energetskom sistemu definie neophodni dijapazon regulisanja postrojenja elektrana (TE i HE), koje su trenutno u pogonu:

Nreg = Nmax - Nmin. Odnos dijapazona regulisanja i maksimalnog optereenja postrojenja

elektrana naziva se koeficijentom regulisanja,

Kreg = max

regNN

= 1 - minmax

NN

.

Ne mogu svi energetski blokovi podjednako uestvovati u regulisanju

snage u energetskom sistemu. Odravanje frekvencije u sistemu preuzimaju hidroelektrane i pojedine termoelektrane odnosno termoenergetski blokovi (turbine) koji su za to osposobljeni. Nejee se snaga termoblokova (turbogeneratora) kod snienog optereenja nou prevodi na rad na tehnikom minimumu, jer je neekonomino da se vei energetski blokovi preko noi zaustavljaju.

U optem sluaju, radne karakteristike toplotnih turbina odnose se na

stacionarne i nestacionarne reime rada. Nestacionarni reimi rada determiniu osobine turbina u pogledu regulisanja. Dijele se na one koji nastaju u normalnoj eksploataciji (putanje turbine u rad, zaustavljanje

Energetske maine

Parne turbine 5.4

parne turbine, promjena snage pri radu parne turbine) i one koji nastaju pri havarijskim uslovima, kada zbog djelovanja sistema zatite dolazi do naglog iskljuenja parne turbine iz pogona. Dakle, sistem regulacije parnih turbina treba da omogui pouzdan i siguran rad parnih turbina sa ekonomski prihvatljivim pokazateljima rada.

Tokom eksploatacije parne turbine moe doi do kontrolisane ili spontane promjene jednog ili veeg broja pogonskih parametara, to e za posljedicu imati i promjenu vrijednosti preostalih paramatara. Utvrivanje zakonitosti takvih promjena i njihovo poznavanje predstavlja nuan preduslov za uspostavljanje njihove regulacije i sigurnog i pouzdanog pogona parne turbine. Ukoliko su parne turbine namijenjene za pogon elektrinih generatora, osnovni zadatak procesa regulacije parnih turbina je u automatskom prilagoavanju broja obrtaja kod svake optereene maine, koji treba da se to manje razlikuje od normalnog pogonskog broja obrtaja, zatim paralelno uklapanje u praznom hodu sa drugim mainama i uspostavljanje bilo kojeg optereenja kod nepromijenjene frekvencije u prenosnoj mrei, kao i spreavanje porasta broja obrtaja preko granine vrijednosti sigurnosnog regulatora kod pojave naglog rastereenja (pobjeg turbine). 5.1.2. Stupanj turbine u promjenljivom reimu rada

Radni i toplotni procesi u stupnju parne turbine (akcioni i reakcioni) obraeni su detaljnije u poglavlju 3 ove knjige. Ovi procesi su posmatrani za pojedinane i izdvojene stupnjeve, a za svaki stupanj proraun je izveden za nominalni (raunski) reim, za koji se odreuje brzina strujanja pare, definiu trouglovi brzina, biraju profili i dimenzije usmjeravajue i radne reetke.

Meutim, pri promjeni optereenja (protoka pare), o emu je bilo vie

rijei u predhodnom odjeljku, dolazi do znaajne promjene reima rada stupnja, to se ispoljava promjenom brzina, reaktivnosti, stepena korisnosti stupnja, kao i drugih promjena, nastalih kao rezultat odstupanja parametara od nominalnih (raunskih) vrijednosti. Za razmatranje promjenljivog reima rada stupnja turbine treba dobro poznavati karakteristike reetki iz kojih je

Energetske maine

Parne turbine 5.5

sastavljen stupanj turbine. Pri ovom razmatranju, posebnu vanost ima uticaj parametara na protok pare kroz reetku. Isti tretman imaju i sprovodne (usmjeravajue) i radne reetke: za odreivanje protoka pare kroz usmjeravajuu reetku bitni su totalna temperatura i totalni pritisak ispred nje i totalni pritisak pare iza nje; za radnu reetku odgovarajui parametri su totalna temperatura i totalni pritisak za relativno strujanje ispred reetke i pritisak pare iza radnog kola odnosno radne reetke ili stupnja u cjelini. Strujanje pare kroz reetku ili stupanj turbine moe biti dozvuno i nadzvuno, to treba blagovremeno definisati jer su procesi strujanja razliiti i postupci za njihov proraun razliiti i specifini.

Posebna panja e se posvetiti strujanju pare kroz suavajuu mlaznicu u uslovima promjenljivog reima rada. Ove vrste mlaznica najee se susreu kod parnih turbina, iako Lavolova mlaznica ima suavajui i irei oblik mlaznice.

Razmatra se pojednostavljen primjer strujanja pare kroz izdvojenu mlaznicu ugraenu u strujni tok (npr. u parovod) i posmatra se situacija kada se istovremeno mijenja pritisak dovedene pare p01 i pritisak pare iza mlaznice p1, tj. p01 = var i p1 = var, slika 5.1.

T , p , v0V1 V2

0 0

i0Suzavajuca mlaznica

p01 p1T , v0101

i0

Slika 5.1. ema ugradnje mlaznice u promjenljivi strujni tok

Pretpostavke za analizu procesa prema slici 5.1 su: prenik parovoda je toliko veliki u odnosu na prenik mlaznice da

se brzina pare c0, koja se dovodi u mlaznicu, moe zanemariti, pa se rauna sa statikim pritiscima i temperaturama pare;

Energetske maine

Parne turbine 5.6

moe se posmatrati i varijanta da brzina pare ima znaajne vrijednosti pa je potrebno raunati sa totalnim (zaustavnim) pritiscima i temperaturama pare;

koliina pare koja protie kroz mlaznicu regulie se ventilima V1 i V2;

pretpostavlja se da su pritisak p0 i temperatura t0 pred ventilom V1 konstantni (p0 = const, t0 = const);

para koja proe kroz ventil V2 usmjerava se u kondenzator turbine, pri emu se moe raunati da je u njemu pritisak priblino jednak nuli (pk

Energetske maine

Parne turbine 5.7

odnos kritinog protoka pare kod pritiska p01, prema maksimalnom kritinom protoku kod pritiska p0 je

01

01 01 0

max 0 010

0

kr

pFvG p v

G p vpFv

; (5.1)

u posmatranom primjeru, priguivanje ventilom V1 odvija se kod

i0 = const, pa se sa velikom tanou moe napisati odnos

p01 v01 = p0 v0 ili 01 00 01

p vp v

;

ako se predhodni odnos uvrsti u jednainu (5.1), dobija se novi odnos kritinog i maksimalnog protoka, u obliku:

01

0max 0

krG pG p

, (5.2)

tj. kritini protok pare je direktno proporcionalan pritisku pred mlaznicom (p01) odnosno totalnom pritisku 01p

, ako se uzme u obzir i brzina pare pred mlaznicom.

Ako entalpija pare pred mlaznicom nije konstantna (i0 = var), odnos

zapremina (v0/v01) zavisie, pored odnosa pritisaka (p01/p0) i od temperature pare. U takvom sluaju, relativni protok pare treba odreivati neposredno prema formuli (5.1), koja se nakon jednostavnih transformacija moe, sa dovoljnom tanou, napisati u obliku:

201 0 0 01 02

max 0 01 01 0 01

krG p p v p TG p p v p T

, (5.3)

Energetske maine

Parne turbine 5.8

pri emu je pregrijana para posmatrana kao idealni gas, pa je izvrena smjena TRvp i dobijen odnos apsolutnih temperatura pare pred ventilom V1 (T0) odnosno mlaznicom (T01).

Sada posmatramo drugi scenario: pred mlaznicom se odrava konstantan pritisak, p01 = const, a mijenja se pritisak poslije mlaznice u izlaznom dijelu parovoda (slika 5.1), na primjer pritvarajui ventil V2.

D

A

E

B

C Fp = p01 p1

Gmax

GkrG

p =kr1kr p01p

1p = p011

0

G Zakonitost promjene

protoka pare predstavljen je linijom ABC na slici 5.2. Tri osnovne take na krivoj su: A - taka kritinog protoka pare, Gkr; B - taka kritinog odnosa pritisaka; C - taka nultog protoka pare.

Uobiajeno je da se krive protoka pare prikazuju u relativnim koordinatama.

Slika 5.2. Kriva promjene protoka pare kroz suavajuu mlaznicu - dozvuno strujanje

U poglavlju 3 dati su odgovarajui izvodi za protoke pare kroz

suavajue mlaznice, meu kojima je i slijedea jednaina izvedena koristei jednainu kontinuiteta i odgovarajue izraze za kritinu brzinu (ckr) i brzinu zvuka (a), dati kao:

2 1

011

01

2 ( )1

aG Fv

=F1

2 101

01

2 ( )1

pv

, (5.4)

gdje veliine sa zvjezdicom ( ) oznaavaju totalne vrijednosti parametara.

Iz formule (5.4) moe se zakljuiti da protok pare kroz suavajuu mlaznicu zavisi od povrine poprenog presjeka na izlazu iz mlaznice (F1),

Energetske maine

Parne turbine 5.9

od totalnih parametara pred mlaznicom ( 01 01,p v ) ili statikih parametara

01, 01p v , kao i odnosa pritiska pred mlaznicom (p01) prema totalnom pritisku pred mlaznicom 1 01/p p ili 1 01/p p , u sluaju da se zanemari brzina pare pred mlaznicom. Kriva zavisnosti protoka pare od odnosa pritisaka kod fiksiranih parametara pred mlaznicom, prikazana je na slici 5.3. Praktino, krive na slici 5.2 i 5.3 imaju isti smisao i znaenje.

=1,00

=0,546krG kr

Energetske maine

Parne turbine 5.10

11

0

pp

.

Za sluaj 1=0, ostvaruje se nulti protok, tj. kod odnosa p1/p0 = p01/p0 slijedi da je p1 = p01, kao i odnos p1 /p01 = 1,0. Odnosi vezani za kritini pritisak su:

0max

krGG

, 01

krkr

pp

= 112

1

.

Kritini odnos pritisaka pregrijane pare dostie se kod

101

pp

= 0,546,

ili kod

1

0

pp

= 0,5460. Posmatrajui krive date na slikama 5.2 i 5.3, vidi se da je maksimalni

protok pare ostvaren kod kritinog pritiska pred mlaznicom (taka B na slici 5.2 i taka a na slici 5.3). Poseban je sluaj na slici 5.2, kada se otvaranjem ventila V1 (slika 5.1) poveava pritisak pred mlaznicom (p0=p01), pri emu se maksimalni protok ostvaruje u taki E.

Dio krive za 0 < < kr na slici 5.3, predstavljen je crtkanom linijom,

a za > kr punom linijom. Kao to je poznato, lijevi dio linije (crtkano) pri realnom strujanju se ne ostvaruje u mlaznici, jer u tom sluaju javlja se konstantan kritini protok, nezavisno od pritiska pare iza mlaznice, poto u izlaznom presjeku mlaznice parametri dostiu kritine vrijednosti i dalje se ne mijenjaju.

Energetske maine

Parne turbine 5.11

Dio krive ab, desno od kr na slici 5.3 (puna linija), moe da se, sa dovoljnom tanou, zamijeni lukom elipse, ija jednaina moe da se predstavi u obliku:

2 2

1

01

1krkr kr

p pGG p p

. (5.5)

Jednainu (5.5) transformiemo na slijedei nain,

20112

max 0 01 0

01 01max

0 01 0

1

kr

krkr

p ppG p p pG

p p pG Gp p p

.

Zamjenjujui u predhodni izraz relativne veliine, koje su ranije

definisane, dobija se:

2 21 00

20 0 0

1kr

kr

q

,

odnosno

221 00

22 20 0

11

kr

kr

q

. Daljom transformacijom, dobija se konani oblik jednaine:

21 0 2 2

0 021kr

kr

q . (5.6)

Jednaina (5.5) moe da se transformie i na drugi nain, tako da se

dobije slijedei oblik:

Energetske maine

Parne turbine 5.12

212 2 2

10 0 12

0

1 1 11 11

kr

krkr

krkr kr kr

ppp pG

pGp

.

Na kraju se dobije jednaina za relativni protok pare u podruju

dozvunog strujanja pare (kr < < 1):

2

1

0

1 krkr kr

p pGqG p p

=

21

21 1kr

kr

. (5.7)

Kada se podkorijena vrijednost jednaine (5.7) napie u drugom

obliku, dobija se novi oblik jednaine (5.7), kao:

q = 21 11 1 2 11 krkr krG

G . (5.7.a)

Kada je kr, relativni protok je q=1 odnosno G = Gkr, slika 5.3. Jednaina (5.6) predstavlja osnovnu jednainu za proraun

promjenljivih reima rada suavajuih mlaznica. Ona meusobno povezuje protok pare kroz suavajuu mlaznicu q0 sa poetnim (p01, 0) i konanim (p1, 1) relativnim pritiscima pare.

Kod izvedenih mlaznica, kao sastavnog dijela turbinske reetke, treba

uzimati u obzir i brzinu pare pred mlaznicom. To znai da treba raunati sa totalnim ili zaustavnim pritiscima i temperarurama pare pred mlaznicama. Promjenljivi reim strujanja pare kroz suavajue kanale (mlaznice) kod promjene pritiska na ulazu (p01) i izlazu iz mlaznice (p1) definiu se na slian nain, kao to je to ve obrazloeno. Predhodno se definie kritini protok za sluaj da se mijenja pritisak pred reetkom:

11

01 011 1 1

01 01

21kr p kr p

p pG k F k Fv v

. (5.8)

Energetske maine

Parne turbine 5.13

U predhodnoj jednaini i u narednim izvoenjima primjenjene su slijedee oznake i definicije:

kp1 - koeficijent protoka, kojim se uzima u obzir stvarni

protok; Fkr = F1 - izlazni presjek mlaznice, u kome se pojavljuje kritina

brzina; 01.maxp - maksimalni (fiksirani) pritisak koenja (totalni) pred

mlaznicom; 01p - tekui totalni pritisak pred mlaznicom u bilo kojem

reimu, koji moe imati vrijednosti od 0 do 01.maxp ;

01v - specifina zapremina pare kod totalnih parametara;

p1 - statiki pritisak iza mlaznice, koji moe imati

vrijednosti od 0 do 01p ;

Gkr - kritini protok kroz mlazniku reetku kod pritiska pred mlaznicom 01p

; maxkrG - maksimalni kritini protok (fiksiran) kroz mlazniku

reetku, kod 01.maxp (linija DE na slici 5.2);

G - tekui protok kroz mlazniku reetku.

Odnos kritinog protoka pare (kod odgovarajueg pritiska 01p ) i maksimalnog kritinog protoka kod nepromijenjenog koeficijenta protoka

1pk je:

011 1

01 01 0.maxmax

01 0.max0.max1 1

0.max

pkr

krp

pk FvG p v

G v ppk Fv

. (5.9)

Jednaina (5.9) predstavlja opti sluaj, ali mogu se razmatrati dva

posebna reima strujanja pare kroz suavajuu mlazniku reetku: a) pred mlaznikom reetkom odrava se konstantna enetalpija pare, 01 0.maxi i const

;

Energetske maine

Parne turbine 5.14

b) pred mlaznicama entalpija pare nije konstantna, 01i const.

Ako se pred mlaznikom reetkom para priguuje, zadrava se stanje

0i const , pa sa dovoljnom tanou mogu da se napiu odnosi:

01 01 0.max 0.maxp v p v ili 01 0.max

0.max 01

p vp v

, kao i 01 0.maxT T .

Ako se predhodni odnos uvrsti u jednainu (5.9), dobija se,

010max

0.max

kr

kr

G pG p

. (5.10)

Predhodni rezultat nam pokazuje, kao i jednaina (5.2), da je kritini protok pare proporcionalan koionom (totalnom) pritisku pred reetkom u sluaju da je 01i const . Ako enetalpija pare pred mlaznicama nije konstantna ( *01i var), odnos specifinih zapremina zavisie i od temperatura, a ne samo od pritisaka. Relativni protok pare max0 / krq G G u tom sluaju treba odreivati po formuli (5.9) u obliku:

01 0.max 01 0.max 01 0.max 0.maxmax

01 0.max 01 0.max 0.max 01 0

kr

kr

G p v p p p p vG v p p p p p v

. (5.11) Posmatrajui pregrijanu paru kao idealni gas, mogu se primjeniti

odnosi prema jednaini stanja idealnog gasa, kao i kod jednaine (5.3) sa statikim parametrima pare:

0.max 0.max 0.maxp v RT i 01 01 01p v RT .

Uvravanjem predhodnih izraza u jednainu (5.11), dobija se:

01 0.maxmax

0.max 01

kr

kr

G p TG p T

. (5.12)

Energetske maine

Parne turbine 5.15

Drugim rijeima, kada 01i const, kritini protok pare kroz mlazniku reetku direktno je proporcionalan totalnom pritisku pred reetkom, a obrnuto proporcionalan kvadratnom korijenu iz totalne temperature pred teetkom.

Kada se u raniju jednainu (5.5) uvrsti totalni pritisak pred mlaznicom

( 01p ), dobija se jednaina

2 2

1

01

1krkr kr

p pGG p p

. (5.13)

Daljom transformacijom u obliku

011max

0.max 01 0.maxmax

01 01

0.max 01 0.max

kr

kr

krkr kr

p ppG p p pG

p p pG Gp p p

= 1,

te uvoenjem relativnih veliina, dobija se jednaina:

2 21 00

220 0

11

kr

kr

q

,

ili u obliku kao i jednaina (5.6), ali sa drugim definicijama relativnih veliina q i :

21 0 2 2

0 021kr

ke

q . (5.14)

Relativne veliine u jednaini (5.14) imaju slijedea znaenja:

max0 / krq G G - protok pregrijane pare, izraen udjelima

maksimalnog kritinog protoka;

Energetske maine

Parne turbine 5.16

0 01 0.max/p p - relativni poetni totalni pritisak pred mlzanicom; 1 1 0.max/p p - relativni konani pritisak na izlazu iz mlaznice.

Moe se zapaziti da vae i slijedee relacije: max 0/kr krG G , kao i

1 00,546kr . Uporeujui jednaine (5.6) i (5.13) i izvode, koji su vezani

za ove jednaine, moe se zapaziti da je u jednaini (5.6) uvren statiki pritisak pred mlaznikom reetkom, to daje jednostavnije izraze. To ne predstavlja veliko odstupanje u rezultatu, ali kod radne (rotorske) reetke treba uzimati totalne parametre, jer i poetne relativne brzine pare (w1) imaju znaajne vrijednosti.

Mrea A. V. egljajeva (.. , 1902-1970. god.) za relativne

protoke pregrijane pare (kr = 0,546) kroz turbinsku reetku sa suavajuim kanalima, prema jednaini (5.14), prikazana je na slici 5.4. Ovaj dijagram predstavlja funkcionalnu zavisnost relativnog protoka q0 sa poetnim i konanim relativnim pritiscima 0 i 1.

q = GmaxGkr0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,010,1

0,20,30,40,5

0,70,8

0,6

0,91,0 0

0,90,8

0,70,6

0,50,4

0,30,2

0,1

Slika 5.4. Mrea relativnih protoka pregrijane pare (kr = 0,546) kroz turbinsku reetku sa suavajuim kanalima za dozvuno strujanje,

prema A.V. egljajevu, 181

Energetske maine

Parne turbine 5.17

5.1.3. Promjena pritiska i toplotnih padova u grupi stupnjeva turbine pri promjenljivom reimu rada

U optem sluaju, odnos protoka pare pri nominalnom reimu rada (G0) i na nekom novom reimu (G) zavisi od poetnih pritisaka i temperature, protivpritiska ili pritiska u kondenzatoru, broja obrtaja i drugih parametara na nominalnom (raunskom) i novom reimu. Razmatranje metoda prorauna pojedinanih stupnjeva, kao i grupe stupnjeva turbine kod reima koji odstupaju od raunskog, vrlo je sloen i teak zadatak, zbog ega se rjeenja trae uz podrku raunarske tehnike.

Ipak, tei se jednostavnijim postupcima za odreivanje pritisaka i

toplotnih padova po stupnjevima turbine kod reima koji se razlikuju od raunskog. Pri rjeavanju ovog zadatka, najee se polazi od odreivanja 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 5.5. Zamislimo da se protoni dio turbine sastoji od velikog broja

stupnjeva, koji se mogu smatrati kao niz otpora na putu kojim protie para. Na slian nain posmatran je protok pare i padovi pritisaka kroz labirintne zaptivae, gdje je protok pare definisan jednainama (3.129) i (3.130).

IIK

II

i

Ki

piTi

I

I

p ,TIIG

p ,TI0I0G0

p ,TIIII

p ,TII0II0

Slika 5.5. ematski prikaz protonog dijela turbine, kao

ilustracija uz tekue razmatranje protoka

pare kroz grupu stupnjeva

Energetske maine

Parne turbine 5.18

Pretpostavljeno je da su, za proizvoljni protoni dio turbine odnosno grupu stupnjeva (slika 5.5), definisane geometrijske dimenzije reetke za svaki stupanj, srednji protoni presjek stupnja F, kao i broj stupnjeva z. Za nominalni protok pare G0 definisani su parametri pare na ulazu u grupu stupnjeva (pI0, TI0) i na izlazu (pII0, TII0). Pritisak pare u proizvoljnom stepenu turbine (presjek Ki - Ki) moe da se odredi kao zbir

pi = pII + p,

gdje je:

pII - pritisak pare na izlazu iz grupe stupnjeva; p - zbir padova pritiska u stupnjevima koji se nalaze iza

posmatranog i-tog stepena (1p, 2p, ...).

Pri odreivanju protoka pare, odnosno odnosa protoka kod promijenjenog reima, mogu se pojaviti dva sluaja.

Prvi sluaj. Na oba uporedna reima javlja se kritina brzina ili

nadzvuna brzina pare, makar bar u jednom stupnju razmatrane grupe. Kod analize strujanja kroz pojedine stupnjeve konstatovano je da pri kritinom strujanju:

pritisak na izlazu iz stupnja ne utie na parametre u narednim

stupnjevima, protok pare, kod nepromijenjene povrine protonog presjeka, zavisi

samo od parametara pare pred reetkom i definie se jednainom u obliku:

11

0 0

0 0

21

I Ikr kr kr

I I

p pG G F Fv v

, (5.15)

gdje je:

Energetske maine

Parne turbine 5.19

112

1

-

koeficijent, koji zavisi od svojstava pare ili gasa, koji protie kroz mlaznicu stupnja (za pregrijanu paru, uz = 1,3 i = 0,667);

0Ip , 0Iv

- totalni pritisak i specifina zapremina pare na ulazu u mlaznicu.

Za prvi sluaj kritinog i nadkritinog strujanja pare, odnos

proizvoljnog protoka (G) prema raunskom (G0), definie se odnosom (oznake na slici 5.5):

0 0 0

0 0 0

I I I II

I I I I I

p v p vpGG p v p p v

. (5.16) Daljom transformacijom i zamjenom TRvp , dobija se novi opti

oblik jednaine relativnog protoka vlane pare

0 0

0

I II

I I

T xGqG T x

, (5.17) odnosno za pregrijanu paru, u obliku:

0 0

0 0

I III

I I I

T TpGqG p T T

, (5.17.a) pri emu su:

pI0, TI0, vI0, xI0 - parametri pare ispred stupnjeva, koji odgovaraju raunskom protoku G0;

pI, TI, vI, xI - parametri pare ispred grupe stupnjeva, kod izmijenjenog reima sa novim protokom pare G (tekui parametri);

I = 0

I

I

pp

-

relativni pritisak pare na ulazu u grupu stupnjeva.

Energetske maine

Parne turbine 5.20

U veini sluajeva moe se uzeti da se temperatura pare u meustupnjevima vrlo malo mijenja (TI TI0) pri promjeni protoka, pa za pregrijanu paru (xI = xI0 = 1), jednaina (5.17) dobija jednostavniji oblik:

0 0

II

I

pGqG p

. (5.18) Dakle, sve dok se u nekom stupnju odrava kritina brzina, pritisak

pare u svim predhodnim stupnjevima mijenja se direktno proporcionalno protoku pare, jednaina (5.18).

Drugi sluaj. Ni u jednom stupnju razmatrane grupe ne pojavljuje se

kritini reim (slika 5.5), tj. egzistira dozvuno strujanje pare. Poznata formula Stodola - Fljugelja (Stodola Aurel, ) za grupu stupnjeva izvodi se za pretpostavljene idealne uslove:

- radni medijum idealni gas; - beskonano veliki broj stupnjeva u grupi, inae se ne bi mogao

primijeniti postupak integrisanja; - iste protone dimenzije za oba uporedna reima strujanja; - jednaki brzinski koeficijenti u svim stupnjevima, i ; - jednaki koeficijenti protoka, kp; - nepromijenjeni odnosi specifinih gustoa na izlazu iz reetki; - konstantan broj obrtaja rotora turbine.

Ranije je izvedena jednaina za protok (gubitke) pare kroz procijepe u

labirintnim zaptivaima. Za dokritino strujanje pare u pomenutim zaptivaima, izvedena je formula (3.129) za protok kroz procijepe

2 2 2 20 1 0 1 0

0 0 0pr p s p s

p p p pG k f k fp v z z p

. Ako se primjeni ista analogija za protok pare kroz grupu sa velikim

brojem stupnjeva (slika 5.5), moe se napisati da je za raunski reim protok jednak

Energetske maine

Parne turbine 5.21

2 20 0

0 00 0

I IIp

I I

p pG k Fp v z

. (5.19) Isto tako, za neki izmjenjeni reim protok pare kroz grupu stupnjeva

e biti

2 2I II

pI I

p pG k Fp v z

. (5.19.a) Odnos protoka pare izmjenjenog reima rada (G) i protoka kod

raunskog reima (G0), uz pretpostavku da je kp = kp0, moe da se napie u obliku

2

2 20 0 0 0

22 20 0 0 0 0

0

1

1

II

II I I II II I

I II I I I I III

I

ppp v p vp p pG

G p p p v p p vpp

. (5.20)

Uvodei za pretpostavljeni idealni gas (pregrijana para xI0 xI =1),

jednainu stanja TRvp (uzimajui da je R R0), dobija se jednaina

20

20 0

11

IIII

II I

TGG T

, (5.20.a)

gdje su:

I = pI/pI0 - relativni pritisak ispred grupe stupnjeva; II = pII/pI, II0 = pII0/pI0 - relativni pritisci iza grupe stupnjeva,

kod izmijenjenog i raunskog protoka pare.

Neki autori jednainu (5.20.a) prikazuju u obliku

Energetske maine

Parne turbine 5.22

2 20

20 01

II II

II I

TGG T

. (5.20.b)

Ako se grupa stupnjeva zavrava odvodom pare u kondenzator parne

turbine, onda pritisak pII odnosno pII0 odgovara pritisku u kondenzatoru pk, tj. pII = pk ili pII0 = pk0. Znai, u sluaju kondenzacione turbine, drugi lanovi pod korijenom u jednaini (5.20) toliko su maleni u odnosu na prve lanove, tj. 222 IkII ili 12 0 II , tako da se jednaine (5.20) i (5.20.a) transformiu u jednainu (5.17.a), tj. protok pare je proporcionalan pritisku pred grupom stupnjeva,

0 0

0 0

I III

I I I

T TpGG p T T

, ili u jednainu (5.18) kada je TI0 TI,

0 0

II

I

pGG p

. Ovakav rezultat je i oekivan, jer je karakteristino da kod

kondenzacionih turbina jedan od posljednih stupnjeva turbine radi sa kritinim brzinama, a formula (5.18) je i izvedena za te uslove. U sluaju vlane pare (xI0 xI

Energetske maine

Parne turbine 5.23

2

02

0 0 0

0

1

1

II

ii i

i iII

i

ppp TG

G p Tpp

.

Iz predhodne jednaine izraunavamo traenu vrijednost pritiska pi, u

obliku:

2

0

00 2

0 0

1

1

II

iii i

i II

i

ppTGp p

G T pp

. (5.21)

Iz jednaine (5.21) se vidi da se pritisak u pojedinim stupnjevima kod

promijenjenih reima rada, mijenja priblino proporcionalno protoku pare (gasa) ili proporcionalno pritisku ispred grupe stupnjeva. Protivpritisak (pII0, pII) ima manji uticaj na pritisak pi, ali se moe zakljuiti da je znaajniji uticaj protivpritiska to je posmatrani i-ti stepen blii izlazu grupe stupnjeva.

Promjena pritiska u stupnjevima turbine s protivpritiskom ili

pogoranim vakuumom, u zavisnosti od protoka pare, odreuje se prema jednainama koje su predhodno izvedene i predstavljene u obliku:

2 2

02 2

0 0 0

I I II

I I II

T p pGG T p p

(5.22) ili priblino za odnos koji se moe uzeti kod parnih turbina, TI TI0 ,

2 2

2 20 0 0

I II

I II

p pGG p p

. (5.22.a)

Energetske maine

Parne turbine 5.24

Rjeavajui predhodne jednaine po pI dobija se pritisak pare na ulazu u turbinu kod pII = pII0 = const, u obliku:

22 2 2 20 00 0

II II I II

I

T Gp p p pT G

,

odakle je

2 2 2 20 00 0

II I II II

I

T Gp p p pT G

, (5.23)

ili za TI TI0, vrijedi

2 2 2 20 00

I I II IIGp p p pG

. (5.23.a)

Po istom postupku moe da se izrauna pritisak pare na izlazu iz grupe

stupnjeva ili u kondenzatoru u funkciji protoka pare i pritiska na ulazu u turbinu ili grupu stupnjeva,

22 2 20 00 0

III I I II

I

T Gp p p pT G

. (5.24)

Kod odreenih prorauna, esto se ukazuje potreba da se odredi

protok pare kroz turbinu ili grupu stupnjeva kod konstantnog pritiska na ulazu i promjenljivim protivpritiskom (promjena potronje oduzimne pare ili pogoranje vakuuma u kondenzatoru). Neki novi traeni protok pare (G) izraunava se iz jednaina (5.22) odnosno (5.22.a):

2 2

00 2 2

0 0

II II

I II I

Tp pG Gp p T

(5.25)

Energetske maine

Parne turbine 5.25

ili za 0 / 1I IT T , u obliku:

2 2

0 2 20 0

I II

I II

p pG Gp p

. (5.25.a)

Pri korienju izvedenih formula, mogu se pojaviti tri sluaja kada se reimi ostvaruju uz promjenu protoka:

a) znaajna promjena broja obrtaja (mijenja se obimna brzina u i odnos

u/c); b) promjena protone povrine ili broja radnih stupnjeva u grupi; c) promjena radnog fluida u odnosu na raunski reim (R0 R,

0). U sluaju da se ostvaruju navedene promjene, treba uvesti tri

korekciona koeficijenta, pa se dobija nova formula

20

.20 0 0

11

II IIn f r f

I I II

TpG K K KG p T

. (5.26) U navedenoj strunoj literaturi ima dosta podataka u vezi sa

postupcima za odreivanje korekcionih faktora Kn, Kf i Kr.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 5.6. Za tu svrhu potrebno je jednainu relativnog protoka pare (G/G0) prevesti u jednainu elipse. Polazi se od neto izmijenjene jednaine (5.20), dobijene za uslove TI0 TI = const, predstavljene u obliku

2

20 0 0

0

1

1

II

II

I II

I

pppG

G p pp

.

Energetske maine

Parne turbine 5.26

Odgovarajuim transformacijama dobija se nova jednaina: 2

2 2 2

20 0 0

0

11 1

1

II

II II

I III

I

ppp pG

G p c ppp

, (5.27)

gdje je

2 2

0 0

0

1 II II I

p pcp p

, (5.28)

parametar, koji zavisi od tekuih vrijednosti pritisaka na ulazu u grupu stupnjeva posmatrane turbine, 163 .

Preureenjem jednaine (5.27) dobija se jednaina elipse sa promjenljivim vrijednostima parametra c u obliku:

2 2

0

1III

pGcG p

, (5.29)

koja povezuje relativni maseni protok (G/G0) i odgovarajui odnos tekuih vrijednosti pritisaka pare iza i ispred grupe stupnjeva (pII/pI).

Moe se predpostaviti da su vrijednosti parametra c (jednaina 5.28) u jednaini (5.29) poznate za nominalne vrijednosti parametara pare i da zavise samo od tekue vrijednosti pritisaka pare na ulazu u turbinu, odnosno u posmatranu grupu stupnjeva pI. U tom sluaju mogue je jednainu (5.29) predstaviti u obliku trodimenzionalnog dijagrama (konus protoka pare) sa slijedeim koordinatama:

G - tekui maseni protok; pII

(ili pz ili pk) - tekui pritisak iza grupe stupnjeva (ili pritisak u

zadnjem stupnju ili u kondenzatoru); pI - tekui pritisak pare ispred grupe stupnjeva turbine

(ili ispred turbine).

Energetske maine

Parne turbine 5.27

ee 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.), slovaki fiziar i mainski inenjer. Priblinu teoretsku zasnovanost i analitiki izvod zavisnosti izmeu protoka i pritiska pare izveo je G. Fljugelj (. ) - jednaina (5.20.b). Stodolin konus protoka pare za grupu stupnjeva sa dozvunim brzinama pare, prikazan je na slici 5.6.

= pIIpI0II

=pIpI0

I

b

a

c

D

EF

A

B

C= =const.pIIpI0II

= =const.pIpI0I

q= GG00

Slika 5.6. Stodolin konus protoka pare za grupu stupnjeva sa dozvunim brzinama

Kao to se vidi, na tri koordinatne ose naneene su:

0

IIII

I

pp

- relativni tekui pritisak pare iza grupe stupnjeva, izraen u dijelovima raunskog pritiska ispred razmatrane grupe stupnjeva;

0

II

I

pp

- relativni tekui pritisak ispred grupe stupnjeva;

Energetske maine

Parne turbine 5.28

00

GqG

- relativni sekundni protok pare.

U sluaju konstantnog protivpritiska II = const (pII - iza grupe

stupnjeva ili pk - u kondenzatoru), zavisnost izmeu relativnog pritiska, protoka pare q0 i pritiska pare pred grupom stupnjeva definisana je linijom ab, koja predstavlja presjek povrine ABC sa povrinom konusa.

Isto tako, kod konstantnog relativnog poetnog pritiska I = const, pred

grupom stupnjeva turbine, protok pare se mijenja u zavisnosti od promjene II po krivoj ca, koja se dobija u presjeku povrine konusa i ravni DEF (odgovara konstantnom pritisku pI odnosno I = const).

Dokritini reimi mogu prei u nadkritine pri veim optereenjima

kada brzina pare moe da postigne nadzvune vrijednosti. To se posebno deava u posljednjim stupnjevima parnih turbina velike snage. Stodolin prostorni dijagram protoka pare kod nadzvunih brzina prikazan je na slici 5.7, koga je prvi konstruisao A. V. egljajev ( , 1902-1970. god.), 181 .

= pIIpI0II

q= GG00

0,2

A B

=pI

p I0I

0,4

0,60,8

1,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,73

Slika 5.7. Stodolin konus protoka pare za grupu stupnjeva u sluaju pojave nadzvunih brzina (prema A.V. egljajevu)

Energetske maine

Parne turbine 5.29

Na pomenutom dijagramu, oblast koja odgovara protocima pare kod kojih posljednji stupanj turbine radi sa nadzvunim (kritinim) brzinama, ograniena je linijama OA i OB, slika 5.7. Poloaj linije OB definisan je graninim odnosom pritisaka za grupu stupnjeva

0

IIzIIkr

I kr

pp

, (5.30) gdje je:

(pIIz)kr - kritini pritisak u zadnjem stupnju, u kome je dostignuta nadzvuna (kritina) brzina.

Relativni granini pritisak (II)kr ima sasvim druge vrijednosti u

odnosu na kr = 0,546 za pregrijanu paru, koja ekspandira u suavajuoj mlaznici. Veliina (II)kr zavisi od broja stupnjeva grupe i utoliko je manja to je broj stupnjeva vei. Takoe zavisi i od stepena reaktivnosti stupnjeva u grupi. Po pravilu, (II)kr ima manju vrijednost za grupu akcionih stupnjeva u odnosu na grupu reakcionih stupnjeva veeg stepena reaktivnosti.

Posmatrajui jedan od brojnih presjeka ravni sa I = const i povrine

konusa (slika 5.7), moe se konstatovati da e se protok mijenjati samo u oblasti II > II kr. Meutim, u oblast II < II kr protok pare ostaje konstantan i jednak kritinoj vrijednosti Gkr. U oblasti II < II kr mogua je promjena protoka pare promjenom pI (ili pI tot) na ulazu u grupu stupnjeva, tj. kada I const, to je prikazano na slici 5.8.

Na slici 5.8 nacrtan je i jedan primjer, kod koga je pretpostavljen

normalan protivpritisak izraen u relativnoj vrijednosti II = 0,2. Ako se protivpritisak odrava nepromijenjen (pII = const) pri promjeni protoka pare, onda e se poveati brzina pare i kritinu brzinu u posljednjem stupnju e dostii kod relativnog protka q0 = 0,73. Od tog reima poinje da se mijenja pritisak pare po stupnjevima, proporcionalno koliini pare koja struji kroz te stupnjeve.

U promjenljivom reimu rada turbine, sa promjenom pritiska kroz

stupnjeve turbine, dolazi i do izmjene toplotnih padova u tim stupnjevima.

Energetske maine

Parne turbine 5.30

Pri proraunu preraspodjele pritisaka i toplotnih padova u turbini polazi se od prvog i posljednjeg stupnja, pri emu je pritisak iza posljednjeg stupnja ili unaprijed zadan (protivpritisak turbine) ili je definisan izabranim sistemom hlaenja kondenzacione turbine.

q= GG00

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,73

= pIIpI0II

=1,0I=0,8I=0,6I

=0,4I=0,2I

Slika 5.8. Dijagram promjene relativnih

protoka pare kroz grupu stupnjeva u funkciji

pritisaka pare ispred i iza grupe, q0 = f(I, II)

5.2. REGULACIJA PARNIH TURBINA 5.2.1. Osnovni pojmovi o regulisanju

Regulisanje snage parnih turbina je neophodno zbog promjene potronje elektrine energije, tehnoloke pare u proizvodnim procesima i pare za toplifikaciju (grijanje). Proizvodnja elektrine energije i pare iz oduzimanja turbine mora da se prilagodi potrebama potroaa, tj. parne turbine (naravno i parni kotlovi) moraju da rade sa raznim snagama zbog zahtjeva potroaa.

Mehanika energija obrtanja vratila turbine transformie se pomou

generatora u elektrinu energiju, a potom, preko prenosne i distributivne mree, predaje potroaima. Pri tome se uspostavlja stroga zavisnost izmeu vrijednosti mehanikog rada na vratilu turbine i elektrine energije na stezaljkama generatora. Iz ove konstatacije slijedi zakljuak da svaku

Energetske maine

Parne turbine 5.31

promjenu elektrinog optereenja treba da prati odreena promjena mehanikog rada (snage) na turbini.

Kada je vratilo turbine spojeno sa nekom drugom mainom (pumpa,

kompresor, ventilator-duvaljka i sl.), onda promjena optereenja ove maine treba da utie na odgovarajuu promjenu rada na vratilu turbine.

Turbina treba da radi stabilno u cijelom podruju promjene

optereenja od nulte (prazan hod) do maksimalne vrijednosti. To se posebno odnosi na parne turbine koje rade paralelno s drugim turbinama u elektroenergetskom sistemu. Pri tome se zahtijeva od parnih turbina da pri raznim snagama rade sa konstantnim brojem obrtaja, tj. da odstupanja od frekvencije mree budu to manja u odnosu na nominalnu vrijednost. Regulacioni sistemi (ureaji) moraju na najbolji mogui nain da ispunjavaju sve navedene zahtjeve i pored toga to se pojavljuju problemi u vezi sa statikim i dinamikim ponaanjem regulacionih kola. Postoji potpuna i odreena zavisnost izmeu snage na vratilu turbine s jedne strane, te protoka pare G i jedininog toplotnog pada (rada) pare H , s druge strane:

eie HGN , (5.31) odnosno snage na elektrinom generatoru

Ng = G H0 0i m g. (5.31.a)

Radi toga, promjenu optereenja turbine treba da prati odgovarajua promjena protoka pare kroz turbinu ili pak jedininog toplotnog pada pare. Mogua je i kombinovana promjena oba parametra. Naravno, sistem i metod regulisanja treba da je takav da pri radu turbopostrojenja sa razliitim snagama bude to manje odstupanja apsolutnog elektrinog stepena korisnosti od istog stepena korisnosti pri nekom nominalnom reimu sa najveim stepenom korisnosti.

Pri jednom odreenom optereenju odrava se konstantan odnos

izmeu protoka pare kroz turbinu i obrtnog momenta na njenom vratilu, slika 5.9. Svaka od linija na slici odgovara konstantnom protoku pare. Pri

Energetske maine

Parne turbine 5.32

poveanju protoka pare kroz turbinu, linija momenta turbine Mt zauzima vii poloaj. Na istoj slici krive Mg predstavljaju momente na vratilu generatora kod razliitih optereenja (Mga, Mgb).

na nc nb n

a

cb

M

Mgb

MgaMta

Mtb

Slika 5.9. Karakteristike momenata turbine i

generatora

Pretpostavimo da se ustalio reim rada turbine predstavljen takom a

u presjeku linija Mta i Mga. Ako pri iskljuenju nekog elektrinog potroaa, generator pree na karakteristiku prestavljenu linijom Mgb, a protok pare kroz turbinu ne bude promijenjen, uspostavie se nova ravnotea izmeu turbine i generatora u taki b. U tom sluaju turbina i s njom povezani generator mogu prei sa jednog stabilnog reima rada na drugi, bez bilo kakvog automatskog djelovanja na ove agregate. Takva sposobnost se naziva osobina samoregulisanja, koja se sastoji u tome to se pri poveanju broja obrtaja smanjuje moment turbine, a u isto vrijeme moment generatora raste uslovljen njegovim optereenjem.

Zapaa se da je vrlo velika i nedozvoljena promjena broja obrtaja

turbine (na nb) u nastalom procesu samoregulacije (slika 5.9), jer se pri tome u irokom podruju mijenja frekvencija elektrine energije i ekonominost turbine. Zbog toga je neophodno odravati konstantan ili priblino nepromjenljiv broj obrtaja turboagregata, pa u sluaju promjene optereenja generatora treba, takoe, mijenjati protok pare kroz turbinu. Tako je u razmatranom primjeru, pri prelazu generatora sa karakteristike Mga na karaktristiku Mgb, neophodno istovremeno mijenjati protok pare kroz turbinu ne mijenjajui karakteristiku Mgb. Tada e se novi poloaj ravnotee

Energetske maine

Parne turbine 5.33

uspostaviti u taci c, na broju obrtaja nc, koji se neznatno razlikuje od broja obrtaja turbine u taki a.

Znai, kod promjene optereenja generatora naruava se odnos izmeu

protoka pare i obrtnog momenta, te dolazi do promjene broja obrtaja rotora. Promjena broja obrtaja e se nastaviti sve dotle dok se djelovanjem organa regulisanja ne promijeni protok pare kroz turbinu, uspostavljajui novi odnos izmeu optereenja i obrtnog momenta, to je upravo zadatak automatske regulacije turboagregata.

Opti oblik jednaine momenta za rotore turboagregata moe da se napie kao

ddIIMMM gtkele , (5.32) gdje su:

eM - obrtni moment na spojnici turbine, Nm ;

elM - korisni reaktivni moment na stezaljkama generatora, Nm ;

kM - koioni moment usljed gubitaka u leajevima i toplotnih gubitaka u generatoru, Nm ;

gt II , - moment inercije rotora turbine i generatora, 2Nms ;

dd - ugaono ubrzanje rotora ( d - beskonano mali prirataj

ugaone brzine), 2/1 s .

Pri stabilnom reimu rada turbine (konstantan broj obrtaja n), ugaono

ubrzanje je 0

dd , pa prethodna jednaina glasi:

kele MMM . (5.33)

Prethodna jednaina (5.33) moe da se napie u obliku

100010001000 kele MMM ,

Energetske maine

Parne turbine 5.34

odnosno

kele NNN , kW , (5.34) a u optem obliku

1000e el k t g dN N N I I d , (5.35) gdje su:

eN - efektivna snaga na spojnici turbine, kW ;

elN - elektrina snaga na stezaljkama generatora (zavisi od spoljanjeg optereenja potroaa), kW ;

kN - gubici snage u leajevima i u generatoru, kW ; n 2 - ugaona brzina obrtanja (n - broj obrtaja turbine).

Pri promjeni optereenja generatora elN , u prvom momentu postoji

neravnotea

eekel NiliNiliNN , to izaziva poveanje ili smanjenje broja obrtaja turbogeneratora.

Poveanje elN uslovljava snienje n i obratno. Zadatak regulisanja brzine (broja okretaja) jeste da uspostavi jednakost

kele NNN , pri bilo kojoj promjeni optereenja elN .

Dakle, sistem regulisanja broja obrtaja parne turbine treba da se sastoji iz odgovarajuih ureaja za mjerenje broja obrtaja agregata i ureaja za upravljanje ventilima za uputanje pare u turbinu. Raunska i tehnoloka veza izmeu pomenutih ureaja treba da uspostavlja ravnoteu pri svakom

Energetske maine

Parne turbine 5.35

naruavanju odnosa izmeu momenata turbine i generatora, odravajui broj obrtaja na nominalnom nivou.

Iz jednaine za snagu (5.31) vidi se da snaga zavisi od protoka mase i

toplotnog pada (jedininog rada) pare. Na osnovu toga, moe se zakljuiti da se promjena protoka pare, odnosno snage, moe ostvariti promjenom ekvivalentnog protonog presjeka turbine, i to: priguivanjem, tj. promjenom jedininog rada ili entalpijskog pada

(H), pri emu se mijenja i koliina protoka pare, a primjenjuje se kod niih optereenja;

koliinskim regulisanjem (mlaznika regulacija), promjenom koliine pare (G) koja se uputa u protoni dio turbine, a primjenjuje se kod veih i najeih optereenja;

obilazno (bajpasno) regulisanje, pri emu se dio pare obilazno usmjerava u neki meustepen, obilazei prvi ili nekoliko prvih stepeni;

kombinovanim regulisanjem, pri emu se istovremeno koristi i priguivanje i koliinska regulacija, uz moguu primjenu i obilazne raspodjele pare.

Predhodno navedeni postupci regulisanja primjenjuju se kod

konstantnog pritiska pare na ulazu u turbinu. Drugi nain regulisanja je sa promjenljivim pritiskom pare na ulazu u turbinu (tzv. klizni parametri), pri emu su regulacioni ventili potpuno otvoreni. 5.2.2. Naini uvoenja pare u turbinu u procesu regulisanja 5.2.2.1. Koliinska ili mlaznika raspodjela pare

Koliinska regulacija predstavlja osnovni nain regulisanja parnih turbina, a posebno kod stacionarnih turbina koje rade u termoelektranama. Ostvaruje se grupom mlaznica koje se dijele tako da potrebna koliina pare moe bez priguivanja ulaziti u turbinu kroz vie otvorenih ventila, koji su predvieni za grupu mlaznica (parcijalno punjenje), slika 5.10.

Energetske maine

Parne turbine 5.36

Glavni ventil (GV) uglavnom je potpuno otvoren ili u tolikoj mjeri da nema priguivanja pare. Ulaz pare u donju grupu mlaznica je slobodan i bez priguivanja, ali takva izvedba nije primijenjena kod svih turbina, koje imaju ovaj tip raspodjele pare u svrhu regulisanja. Donja grupa mlaznica nema svoj regulacioni ventil i sa njima se upravlja preko glavnog brzozatvarajueg ventila (GV). Pri poveanju optereenja otvara se najprije ventil (1) grupe mlaznica I, a sa daljim poveanjem optereenja otvaraju se postepeno ostali regulacioni ventili od 2 do 5 i uvode paru u grupu mlaznica II do V.

Kada su poloaji ventila izmeu potpuno zatvorenog i potpuno

otvorenog stanja (meupoloaj), ne postoji priguivanje ako je protok pare (optereenje) usklaen sa protonim presjekom regulacionog ventila pa nema priguenja pritiska. Priguuje se samo para koja prolazi kroz ventil koji se upravo otvara ili pritvara.

ZV

GV

donja grupa mlaznica - stalno otvoren

protok

RV 1 2 3 4 5

I

II III IV

V

Slika 5.10. ema raspodjele pare pri koliinskoj (mlaznikoj) regulaciji parne turbine i sa neregulisanom grupom mlaznica

Energetske maine

Parne turbine 5.37

Razmatrani primjer turbine sa pet regulacionih ventila i pet grupa mlaznica (slika 5.10) ima dobru promjenu snage sa najmanje gubitaka, koji nastaju zbog procesa regulisanja. To se odnosi na pet taaka, tj. kada su potpuno otvoreni jedan, dva, tri ili vie ventila. U pomenutim takama nastaju najmanji gubici radne sposobnosti pare zbog procesa priguivanja i nazivaju se ventilske take.

Kod mlaznikog regulisanja, dovod pare u pretkolo regulacionog

stupnja nije osno simetrino, osim za potpunu otvorenost parnog broja regulacionih ventila. U ekstremnim sluajevima nesimetrije moe doi do deformacije i iskrivljenja kuita. Iz pomenutog razloga, esto je regulacija podeena tako da se istovremeno otvaraju po dva regulaciona ventila, koji snabdijevaju parom osno simetrine grupe mlaznica.

Tako na primjer, u turbinama K-300-240 (LMZ) u TE Gacko i TE

Ugljevik (300 MW), takoe je primijenjena mlaznika raspodjela pare sa 4 mlaznike komore i 7 izdvojeno ugraenih regulacionih ventila. Tri, od ukupno etiri, mlaznike komore imaju po 16 usmjeravajuih (mlaznikih) lopatica i svaka se snabdijeva parom preko dva regulaciona ventila (jedan ventil prenika 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, treu i etvrtu mlazniku komoru, respektivno. Regulacioni ventili se otvaraju u skladu sa poveanjem protoka pare kroz turbinu slijedeim 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 treom mlaznikom komorom, omoguuju promjenu protoka pare od 67 do 96%. Daljnje poveanje protoka pare do nominalne vrijednost ostvaruje se otvaranjem regulacionog ventila broj 7, koji daje paru u etvrtu mlazniku komoru.

U poglavlju 5.1.3, obraen je promjenljivi reim rada u grupi

stupnjeva turbine, pri emu je formulama (5.20), (5.20.a) i drugim izrazima data zavisnost relativnog protoka pare u funkciji promjene pritiska ispred i iza grupe stupnjeva. Za posmatranu grupu stupnjeva (slika 5.5), 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 vae izvedene formule. Viegodinje iskustvo u primjeni tih formula i posebni prorauni pokazuju da se za grupu vie od 4 stupnja mogu primjenjivati pomenute formule sa dovoljnom tanou. Za manji broj

Energetske maine

Parne turbine 5.38

stupnjeva treba izabrati neto tanije metode prorauna. To znai da se regulacioni stupanj turbine koji je uvijek prvi u odreenoj grupi stupnjeva, ne moe svrstati u tu grupu i na njega se ne moe primjeniti Stodolin metod prorauna.

Turbina visokog pritiska (TVP) koja je u sastavu turbine K-300-240,

ima regulacioni stupanj, a zatim slijedi grupa od 5 stupnjeva u unutranjem dijelu kuita i 6 stupnjeva u koje ulazi para nakon zaokreta za 1800. Pomenuti metod prorauna mogao bi se primjeniti i na ovu grupu stupnjeva (5+6), s tim da bi se kao ulazni pritisak pred mlaznicama (pI0, pI) mogao uzeti znatno nii pritisak pare u regulacionoj komori. To je i osnovni razlog to se daje neto vei osvrt na toplotni proces pri mlaznikom (koliinskom) regulisanju turbine K-300-240, koja je ugraena u nae termoelektrane.

Promjena optereenja turbine K-300-240 (LMZ) pri protocima pare

manjim od 67% od nominalnog protoka vri se priguivanjem pare na regulacionim ventilima broj 14 (slika 5.11). Nunost priguivanja pare pri protocima manjim od 177 kg/s, uz smanjivanje nominalnog pritiska pred turbinom, uslovljeno je sigurnou radnih lopatica regulacionog stupnja turbine, kao i potrebom za odravanje stabilnog temperaturnog reima TVP pri promjeni optereenja. Tako na primjer, ako bi se odrao konstantan pritisak pare pred mlaznicama regulacionog stupnja (23,5 MPa) i pri protoku pare od 103 kg/s (39% od nominalnog), dolo bi do poveanja djelovanja sila na radne lopatice regulacionog stupnja za oko 11 puta u odnosu na nominalno optereenje, 134 . Naravno, to se deava zbog promjene pritiska pare u komori regulacionog stupnja sa 18,5 na 7 MPa. Pri takvom procesu pojavljuju se i druge ekstremne vrijednosti (slika 5.11):

- izentropski tolotni pad u regulacionom stupnju mijenja se od 68 na

348 kJ/kg; - temperatura pare u komori regulacionog stupnja opada na 327 0C, u

odnosu na nominalni reim od 500 0C. Takve promjene vrijednosti djelujuih sila i temperatura pare nisu

dozvoljene sa stanovita pouzdanosti i fleksibilnosti u radu turbine.

Energetske maine

Parne turbine 5.39

Na slici 5.11, prikazan je proces ekspanzije pare u TVP turbine K-300-240 (LMZ) kod nominalnih i djeliminih protoka pare sa konstantnim i klizajuim pritiskom sa etiri otvorena regulaciona ventila.

i, kJ

/kg

s, kJ/kgK

A B1B

C C1

BkAk

Ck

Ek

E1E

C'1

23,5

MPa

12,5

MPa

12,0

MPa18

,5 M

Pa

7,2 M

Pa

7,0 M

Pa

6,5 M

Pa

4,0 M

Pa 1,5 M

Pa

540C

500C

488C

481,5C

432C

327C

292C

281C

249C

2658

28482856

29362964

3156

3232324432683312

3448

3360

32723230

2998

2918

28842872

2796

Pritisak iza TVP kod 39%protoka od nominalnog

Klizni parametri parekod 39% protoka

Protok 39% odnominalnogNominalni protokpare 264 kg/s

535C

Slika 5.11. Proces ekspanzije pare u TVP turbine K-300-240 (LMZ)

Legenda uz sliku 5.11: ABCE - kod nominalnog reima; AB1C1E1 - kod protoka pare 39% od nominalnog (103 kg/s) i konstantnog poetnog pritiska pare pred turbinom; AkBkCkEk - kod protoka pare 39% od nominalnog i kliznim poetnim pritiskom; BC1 - pri izentropskom padu entalpije regulacionog stupnja kod mlaznike raspodjele pare i protoka 39% od nominalnog

Energetske maine

Parne turbine 5.40

Kod nominalnog protoka pare i parametrima 23,5 MPa i 540 0C, priguivanje pare u stop i regulacionim ventilima ne prelazi 0,7 MPa. Izentropski toplotni padovi u TVP, prema stanju pare iznose pred stop-ventilima (ugraena dva brzozatvarajua stop ventila) H0 = 464 kJ/kg i pred prvim stepenom TVP, H0= 456 kJ/kg. Znai, koeficijent priguivanja iznosi pg = 0,983. Temperatura pare u komori regulacionog stepena iznosi 500 0C. Izentropski i iskorieni toplotni pad u regulacionom stupnju iznosi 68 odnosno 44 kJ/kg, kod raunske vrijednosti unutranjeg SKD od 0,67. Ukupni iskorieni toplotni pad protonog dijela TVP iznosi 376 kJ/kg. Unutranji relativni SKD protonog dijela TVP iznosi 0,824, a TVP u cjelini 0,81 (entalpije su naneene na dijagramu, slika 5.11). Temperatura pare na izlazu iz TVP iznosi 292 0C kod pritiska 4 MPa.

Smanjivanjem protoka pare, npr. do 39% nominalnog protoka, pritisak

pare u komori regulacionog stepena smanjie se do 7 MPa, a na izlazu iz TVP do 1,5 MPa (linija AB1C1E1 na slici 5.11). Ako bi se ovi pritisci ostvarili kod nominalnog pritiska pred turbinom, bili bi ostvareni slijedei parametri u odnosu na nominalni reim:

- izentropski toplotni pad od stanja pare pred stop ventilima bi se

poveao na vrijednost 3312 - 2658 = 654 kJ/kg; - izentropski toplotni pad pred prvim (regulacionim) stepenom takoe

bi se poveao na vrijednost 3312 - 2796 =516 kJ/kg; - koeficijent priguivanja smanjio bi se na vrijednost pg = 516/654 =

0,789. U vezi sa priguivanjem pare sa 23,5 na 12 MPa, temperatura pare

pred prvim stupnjem sniava se na 488 0C, slika 5.11. Usljed smanjenja pritiska u komori regulacionog stepena (7 MPa), dolazi do porasta izentropskog pada u regulacionom stepenu do 156 kJ/kg, a iskorienog pada do 82 kJ/kg. Unutranji SKD regulacionog stupnja smanjuje se na 0,487, zbog smanjenja stepena parcijalnosti od 0,709 na 0,405 i odnosa u/co sa 0,47 na 0,3. Temperatura iza regulacionog stepena sniava se na 432 0C. Iskorieni toplotni pad u TVP raste do vrijednosti 3312 - 2818 = 394 kJ/kg. Unutranji SKD protonog dijela TVP smanjuje se na 394/516 = 0,763, zbog smanjenja SKD regulacionog stepena i zapreminskog protoka sa smanjenom temperaturom u protonom dijelu TVP. Unutranji SKD TVP u

Energetske maine

Parne turbine 5.41

cjelini sniava se na 394/654 = 0,602, kao rezultata smanjenja pg i 'oi . Temperatura iza TVP sniava se na 249 0C.

Na osnovu rezultata predhodne analize na primjeru turbine

K-300-240, moe se zakljuiti da kod koliinske regulacije ukupni jedinini rad ostaje priblino isti, a mijenja se koliina protoka. Pritisak ispred prvog sprovodnog kola (mlaznica) ostaje isti, a neznatno se mijenja vakuum u kondenzatoru. Pritisak iza sprovodnog kola prvog stupnja opada sa smanjenjem optereenja, zbog ega se poveava jedinini rad u prvom stupnju. Prvi stupanj preuzima tim vei rad to se vie smanjuje optereenje turbine, a u srednjim stupnjevima jedinini radovi ostaju skoro nepromijenjeni. U poslednjem, a djelimino i pretposlednjem stupnju, smanjuje se jedinini rad, tj. toplotni pad u stupnju.

Smanjivanjem optereenja, jedinini rad prvog stupnja raste, raste i

brzina 1c , a opada odnos 1cu . Ranije je dato obrazloenje da stepen korisnosti na obimu elementarnog stupnja turbine zavisi od odnosa ( 1cu ) i ima maksimalnu vrijednost kod:

11

cos21

cu , za akcioni stupanj turbine,

i

11

coscu , za reakcioni stupanj.

Teoretski posmatrano, mogla bi se za prvi stupanj uzeti vrijednost za

1cu vea od optimalne za najpovoljniji stepen korisnosti na obimu kola. U tom sluaju, stepen korisnosti bi rastao sa smanjenjem optereenja. U praksi se to ne izvodi, jer poskupljuje izradu lopatica i drugih elemenata turbine. Obino se bira oblik lopatice prvog stupnja takav da se stepen korisnosti malo mijenja sa promjenom odnosa 1cu . To imamo kod Kertis-ovog kola, radi ega je i opravdana upotreba stepenovanja brzine.

Energetske maine

Parne turbine 5.42

Kod koliinske regulacije opada stepen korisnosti na obimu kola u prvom stupnju, a raste u poslednjem. Ipak ukupni stepen korisnosti smanjuje se kod djeliminog optereenja turbine.

Regulisanje reakcionih turbina ne moe se vriti koliinskom

metodom, jer one moraju imati punjenje parom po cijelom obimu. Da bi se i kod reakcionih turbina mogla primijeniti koliinska regulacija, prvi stupanj izvodi se kao akcioni i slui kao regulacioni stupanj. Slijedi zakljuak:

- kod mlaznike raspodjele pare i regulisanja, a pri smanjenim

protocima pare kroz turbinu, priguivanje pare se ne odnosi na cijelu koliinu pare, nego samo na dio pare koji struji kroz djelimino otvorene regulacione ventile;

- ekonominost turbine sa mlaznikom raspodjelom pare pri promjenljivom protku pare, stabilnije je nego kod turbina sa raspodjelom pare priguivanjem;

- kod ovog naina regulisanja je veliko dinamiko optereenje lopatica i diska regulacionog stupnja, to smanjuje raspoloivost ovakvih turbina zbog vibracionih lomova lopatica, zatim vibracija rotora, kao i zbog krivljenja i deformacije kuita TVP.

5.2.2.2. Raspodjela pare (regulisanje) priguivanjem

Za razliku od koliinske (mlaznike) raspodjele pare, kod regulisanja priguivanjem cijela koliina pare koja se uvodi u turbinu proputa se kroz stop-ventil (1) i regulacioni ventil (2) gdje se priguuje u sluaju smanjenih (ili parcijalnih) optereenja odnosno potronje pare, slika 5.12. Pretpostavlja se da je kod nominalnog (raunskog) reima regulacioni (priguni) ventil potpuno otvoren i da se proces ekspanzije odvija po liniji AC u i-s dijagramu na slici 5.13.

Regulisanje priguivanjem zasniva se na promjeni toplotnog pada

(jedinini rad) pare koji se koristi u turbini, a ta promjena ostvaruje se pritvaranjem ili otvaranjem regulacionih ventila. Pritvaranjem ventila vri se priguivanje pare na ulazu u prvi stupanj turbine, pri emu nastaje gubitak adijabatskog jedininog rada, slika 5.13.

Energetske maine

Parne turbine 5.43

Legenda: 1 - brzozatvarajui stop-ventil; 2 - regulacioni ventil; pI - pritisak iza regulacionog ventila ili na ulazu u prvi stupanj (odgovara pritiscima p0 odnosno p0 ispred prvog stupnja na poetku ekspanzije pare, bez i sa priguivanjem, slika 5.13); pII - pritisak na izlazu iz poslednjeg stupanja

Slika 5.12. ematski prikaz regulacije

priguivanjem pare

s

i p p' 0

p (p )

k

A A'

x=1

C

sB

B' C'

s1

H0

H' 0

H

ib

i'bi'c

i = i' = const.aa

0

II

i

i

H

H'

Slika 5.13. Prikaz procesa ekspanzije pare u i - s dijagramu

za turbinu sa raspodjelom pare priguivanjem

Energetske maine

Parne turbine 5.44

Raspoloivi toplotni pad kod nominalnog optereenja turbine (nema priguivanja pare regulacionim ventilom) je

0 a bH i i . (5.36)

Ako optereenje sniavamo pritvaranjem regulacionog ventila vri se

priguivanje pare od pritiska 0p na pritisak 0p kod .constii aa U takvom sluaju, kod manjeg optereenja, ekspanzija pare se odvija po liniji AC, pri emu se smanjuje i izentropski raspoloivi toplotni pad, pa e nova vrijednost tog pada ili jedininog rada biti:

ba iiH 0 , (5.37) a gubitak pada iznosi

bb iiHHH 00 . (5.38) Prethodni gubitak jedininog rada moe se definisati i preko porasta

entropije s kod priguivanja i temperature u kondenzatoru, koji iznosi kTsH , (5.39)

a u procentima moe da se predstavi izrazom

1000

ba

bbp ii

iiHHH , %. (5.40)

Pri ekspanziji pare u realnoj turbini pojavljuju se gubici u njenom

protonom dijelu, koji se izraavaju preko relativnog unutranjeg stepena korisnosti, oi = Hi/Ho. Kod smanjenja protoka pare, relativni unutranji stepen korisnog dejstva (SKD) e imati manju vrijednost u odnosu na nominalni reim, ''' oioi HH . Ako se predhodni izraz pomnoi i podijeli sa raspoloivim toplotnim padom prema stanju pare iza regulacionog (prigunog) ventila 'oH , dobija se

Energetske maine

Parne turbine 5.45

pgoii

oi HHHH '

0'0

'0

'

, (5.41)

gdje je:

0'0 HHpg - koeficijent priguivanja, koji je spominjan i u

predhodnoj taki ovog poglavlja, a ne zavisi od konstrukcije protonog dijela turbine i definisan je samo relativnim protokom pare kroz turbinu i parametrima te pare;

'''oioi HH - pokazuje stepen savrenstva rada protonog dijela

turbine kod promjenjenog raspoloivog toplotnog pada usljed priguivanja.

Ukoliko se pri promjrni protoka pare u svim stupnjevima turbine

zadri dozvuno strujanje pare, pritisak iza regulacionog (prigunog) ventila moe da se izrauna po formuli (5.20.b). U sluaju da se pojavi nadzvuno (nadkritino) strujanje, to je karakteristino za kondenzacione turbine, pritisak pare iza regulacionog ventila odreuje se po formuli (5.17). Kada se odrede pritisci pare iza regulacionog ventila, iz i-s dijagrama odreuju se raspoloivi toplotni padovi '0H kod razliitih protoka pare, slika 5.13.

Osnovna karakteristika ove vrste regulacije je znaajno smanjenje

unutranjeg stepena korisnosti na parcijalnoj snazi i jednostavnost konstrukcije. Zbog toga se regulacija priguivanjem primjenjuje na parnim turbinama male snage ili na turbinama velike snage u termoelektranama, iji blokovi rade u baznom reimu, to se prije svega odnosi na parne turbine za pogon generatora u nuklearnim elektranama.

5.2.2.3. Kombinovana raspodjela pare (regulacija) - parcijalno punjenje pomou mlaznica i priguivanjem

Osnovni princip ove vrste regulacije je kombinacija regulacije priguivanjem i koliinske (mlaznike) regulacije. Uobiajeno je da se izabere tri do pet mlaznikih grupa i jedan "manevarski ventil". Meureimi ili neka sniena meuoptereenja ostvaruju se priguivanjem ukupne mase

Energetske maine

Parne turbine 5.46

pare pomou manevarskog ventila i dijela pare nekim od regulacionih ventila na pojedinim grupama mlaznica. Konkretno razjanjenje daje se na realnom primjeru, koji se daje u narednom tekstu.

Neka turbina raspolae sa etiri grupe mlaznica i tri regulaciona

ventila. Protok pare kod potpuno otvorenih ventila iznosi 3, 2, 4 i 1 kg/s, tj. kombinacijom otvaranja ventila mogu se postii protoci pare od 1 do 10 kg/s. Pretpostavimo da izvedena konstrukcija omoguava etiri kombinacije protoka: 3, 5, 9 i 10 kg/s.

Kod potpuno otvorenog manevarskog ventila, kroz neregulisanu grupu

mlaznica ostvaruje se protok pare od 3 kg/s, pri emu su sva tri regulaciona ventila u zatvorenom poloaju. Reimi sa protokom pare od 0 do 3 kg/s ostvaruju se priguivanjem ukupne koliine pare pomou manevarskog (prigunog) ventila. U takvom sluaju, pritisak pred turbinom mijenja se po liniji OA3, datoj na slici 5.14.

0 1 3 5 9 102 4 6 7 8G, kg/s

p, M

Pa

c9

b5c5

b3c3

B3 B5

B9CD

A3 A5 A9 A10p0

p1Gru

pa 1

1+2

1+2+

3

1+2+

3+4

Slika 5.14. Teoretski dijagram pritisaka i protoka u prvim

stupnjevima turbine kod kombinovanog regulisanja sa etiri mlaznike kombinacije uz jedan manevarski (priguni) i tri

regulaciona ventila

Kod daljeg poveanja snage (protoka pare) potpuno se otvara mlazniki ventil druge grupe, tako da kod otvorene dvije grupe mlaznica, turbina radi po karakteristici 0A5. Na dijelu 0B3 ova karakteristika se ne ostvaruje, jer u podruju protoka od 0 do 3 kg/s pogodnije je raditi po karakteristici 0A3. Svi reimi sa protocima pare od 3 do 5 kg/s odvijaju se kod potpuno otvorenih ventila prve i druge grupe mlaznica i uz eventualno priguivanje pare pomou manevarskog ventila. Pritisak pare mijenja se po liniji B3A5.

Energetske maine

Parne turbine 5.47

Poveanje protoka pare iznad 5 kg/s postie se prikljuenjem tree grupe mlaznica sa protokom pare od 4 kg/s. Na protocima pare od 5 do 9 kg/s sva koliina pare se priguuje manevarskim ventilom (otsjeak B5A9). Kada je potpuno otvoren manevarski ventil i dva mlaznika ventila, ostvaruje se protok od 9 kg/s, to odgovara nominalnom optereenju. Peoptereenje iznad nominalne snage ostvaruje se pomou ventila etvrte mlaznike grupe (1 kg/s), pri emu se dolazi do maksimalnog protoka od 10 kg/s (dio linije B9A10).

Kombinovana regulacija snage pogodna je za protivpritisne turbine. Kod manjih optereenja turbina se nalazi pod kontrolom prigunog ventila koji regulie dovod pare u odgovarajui broj stalno otvorenih sprovodnih aparata, a pri veem optereenju protoni presjek ventila poveava se toliko da para struji bez priguivanja. Dalje regulisanje se odvija automatski, otvaranjem regulacionih ventila na pojedine grupe mlaznica, slika 5.10.

5.2.2.4. Regulisanje parne turbine obilazom stupnjeva (by-pass)

Principijelna ema raspodjele pare (regulisanja) sa spoljanjim obilazom prve grupe stupnjeva, prikazana je na slici 5.15. Dovoenje pare u prvi stupanj turbine vri se preko ventila (1) i to po cijelom obimu, tj. stepen punjenja ili parcijalnosti jednak je jedan. Obilazno regulisanje najee se koristi zajedno sa regulisanjem priguivanjem. U nekim sluajevima bajpasno regulisanje kombinuje se sa mlaznikim, posebno za obezbjeenje optereenja turbine iznad ekonomine snage.

Proces rada po emi raspodjele pare (slika 5.15) odvija se slijedeim

redoslijedom:

prolazei kroz ventil (1), para ulazi u prvi stupanj i struji sve dotle dok pritisak pred mlaznicama prvog stupnja ne dostigne pritisak svjee pare p0, pri emu ventil (1) djeluje kao priguni ventil;

kada pritisak pred prvim stupnjem bude priblino jednak pritisku p0, poinje da se otvara obilazni ventil (2), kroz koji se para usmjerava neposredno u trei stupanj, obilazei prvu grupu stupnjeva.

Energetske maine

Parne turbine 5.48

Slika 5.15. Principijelna ema regulacije sa spoljanjim obilazom grupe stupnjeva (by-pass)

Poto je protoni presjek treeg stupnja vei od prvog stupnja,

otvaranjem obilaznog ventila omoguava se proputanje vee koliine pare kroz turbinu, a samim i poveanje snage turbine. esto se kod savremenih tubina susree slijedea kombinacija raspodjele pare: od praznog hoda do ekonomine snage upravljanje turbinom vri se pomou mlaznike regulacije, a dalje poveanje snage ostvaruje se parom preko obilaznog voda do odreenih meustupnjeva turbine. Pri tome moe biti i vie grupa stupnjeva koji se obilaze parom (slika 5.16), to povoljno utie na smanjenje gubitaka nastalih zbog priguivanja pare.

Svjea para pritiska p0 prvo se uputa na regulaciono kolo (4) -

Kertisovo kolo kod otvorenog regulacionog ventila (1) i struji dalje kroz ostale stupnjeve turbine (5), kod zatvorenih obilazanih ventila (2) i (3). Zatim, po istom postupku kako je predhodno opisano, para se uputa kroz ventil (2) u komoru x2, te zajedno sa parom iz regulacionog kola ulazi u slijedea dva stupnja. Isto se po potrebi nastavlja sa obolaznom parom kroz ventil (3) kroz koji svjea para ulazi u komoru x3, a zatim zajedno sa parom iz predhodnih stupnjeva prolazi kroz naredne stupnjeve turbine (5). Ovakav nain regulacije posebno je pogodan kod turbina za pogon velikih brodova, gdje je potrebno za krai period postii poveanu snagu.

Energetske maine

Parne turbine 5.49

Slika 5.16. Detalj turbine sa dva spoljanja obilaza rapodjele pare - obilazno

regulisanje

Koristei formule postavljene u poglavlju 5.1.3, moe se odrediti pritisak u komori x, slika 5.15. Stanje pare u komori x poslije mijeanja dvaju tokova pare, moe da se odredi jednainom smjee:

1 1

1

x xsm

x

G i G iiG G . (5.42)

Pri veem proputanju pare kroz obilazni ventil, raste i pritisak u

komori x, to e uticati na smanjenje protoka kroz prvi regulacioni ventil. Kada znamo pritisak pare px i ukupni protok pare kroz turbinu, moe se izraunati protok pare kroz prvu grupu stupnjeva, koristei analogiju sa jednainom (5.22.a):

2 2012 2

0 0

x

xoI

p pGG p p

. (5.43)

Spoljanje obilazno regulisanje nije uvijek racionalno primjenjivati

kod turbina koje koriste paru visokih temperatura iz dva osnovna razloga, (slika 5.15):

Pri dovoenju obilazne pare u meustupnjeve turbine, prvi

stupnjevi, pa i samo kuite turbine, izloeni su visokim

Energetske maine

Parne turbine 5.50

temperaturama svjee pare, zbog ega treba primjenjivati visoko legirane elike, to poskupljuje turbinu.

Kod izvedbi turbina sa regulacionim prvim stupnjem (slika 5.16), kod ekonominog reima ovaj stupanj ostvaruje relativno mali toplotni pad, pa je i pritisak u regulacionoj komori neznatno manji od poetnog. Otvaranje obilaznog ventila za dopunsku grupu stupnjeva izaziva dalje poveanje pritiska u komori regulacionog stepena, to smanjuje proputanje pare kroz ranije otvorene mlaznike segmente. Na kraju to uslovljava da se ne moe postii oekivano poveanje snage turbine, koristei obilaenje pare.

Kod turbina predvienih za rad sa visokom temperaturom pare,

umjesto spoljanjeg, primjenjuje se unutranje obilaenje stupnjeva parom, slika 5.17.

Legenda: 1 - regulacioni ventil (u opisanom primjeru ugraena su etiri ventila); 2 - obilazni ventil (peti); 3 - regulacioni stupanj; 4 - komora regulacionog stupnja

Slika 5.17. ema raspodjele pare sa unutranjim obilaenjem

grupe stupnjeva (by-pass regulacija)

Primjenom raspodjele pare sa unutranjim obilaenjem ograniava se temperatura i pritisak u komori regulacionog stupnja i omoguava se znaajnije preoptereenje turbine. U nekim sluajevima, ovakav sistem regulacije primjenjuje se za postizanje nominalnog optereenja turbine i pri snienom poetnom pritisku pare.

Energetske maine

Parne turbine 5.51

Podizanje optereenja do ekonomine snage vri se pomou tri regulaciona ventila koji uputaju paru u regulacioni stupanj turbine, pri emu se postiu i najvii dozvoljeni parametri pare u komori regulacionog stupnja (4). U cilju daljeg poveanja protoka pare (snage turbine), istovremeno se otvaraju dva ventila: (1) dopunski (etvrti) ventil za dopunski segment mlaznica u regulacionom stupnju i (2) obilazni ventil, koji proputa paru iz komore regulacionog stupnja prema jednoj od grupa meustupnjeva, slika 5.17.

Otvaranje i zatvaranje obilaznog ventila (2) i dopunskog regulacionog

ventila (1), podeeno je tako da pritisak u komori regulacionog stupnja ostane priblino konstantan, pri emu temperatura ne smije prekoraiti dozvoljene vrijednosti.

5.2.2.5. Regulisanje snage turbine metodom kliznog pritiska

Regulacija turbine sa promjenljivim pritiskom pare na ulazu u turbinu, u stvari pretstavlja regulisanje pomou parnog kotla, osposobljenog da u odreenim uslovima moe da radi sa kliznim pritiskom, p0 = var.

Poetkom tridesetih godina prolog vijeka razraene su metode za

regulisanje snage turbogeneratora pri promjenljivom (klizajuem) pritisku svjee pare i potpuno otvorenim regulacionim ventilima (V.D. Kirpinikov u SSSR i H. Gleichmann u Njemakoj). Ve polovinom 20-tog vijeka bili su u pogonu energetski blokovi velikih snaga sa primjenom kliznih pritisaka pare.

Blokovski sistem (jedan kotao + jedna turbina) termoenergetskog

bloka omoguava da se istovremeno puta u pogon parna turbina sa postepenim dizanjem parametara pare na kotlu, tj. turbina se puta na kliznim parametrima pare. To se odnosi na progrijavanje parovoda i turbine, pokretanje turbine i dizanje broja obrtaja i na ukljuenje generatora na elektrinu mreu. ak se na kliznim parametrima vri poveanje snage do nominalne vrijednosti, zajedno sa postepanim poveavanjem pritiska i temperature svjee pare. Cio opisani proces odvija se kod otvorenih regulacionih ventila.

Energetske maine

Parne turbine 5.52

Predhodno su detaljno obrazloeni postupci regulisanja sa odravanjem konstantnog pritiska svjee pare u kotlu i pred turbinom. Naravno, kod takve regulacije kotao i parovodi izmeu kotla i turbine nalaze se pod nominalnim pritiskom. Meutim, u sluaju regulacije snage pomou kotla sa kliznim pritiskom, regulacioni ventili su potpuno otvoreni i optereenje se mijenja priblino proporcionalno pritisku svjee pare. Dui rad bloka sa snienim pritiskom poveava pouzdanost i ivotni vijek grejnih povrina kotla i parovoda prema turbini.

Kod ovog naina regulacije, temperatura svjee pare pred prvim

stupnjevima turbine odrava se priblino konstantnom, jer se pritisak pred turbinom mijenja lagano i postepeno ("klizi"), to omoguava dosta visoke brzine promjene optereenja turbine. Pri tome se ne mijenja ni temperatura veine elemenata turbine. Zahvaljujui takvom temperaturnom reimu i snienim pritiscima pare, mogu se konstatovati odreene povoljnosti:

pri promjeni optereenja manje je izraena neravnomjernost

temperaturnih polja u poprenim presjecima kuita turbine, koja izazivaju termika naprezanja, to je posebno karakteristino kod parcijalnih optereenja turbina sa mlaznikom regulacijom;

ne pojavljuju se relativna toplotna irenja rotora turbine; smanjuju se naprezanja savijanjem, posebno dinamika, u

lopaticama prvog stupnja; skrauje se vrijeme podizanja snage bloka; smanjuje se snaga napojne pumpe kod parcijalnih optereenja, jer je

ona osnovni ureaj za promjenu pritiska u kotlu. Nabrojane prednosti znatno utiu na poboljanje pouzdanosti i

manevarske sposobnosti turbine, kao i uproavanje konstrukcije i poveanje ekonominosti zbog smanjenih otkaza (kvarova) u odnosu na nominalni reim.

Uporedna ocjena ekonominosti turbinskog postrojenja pri prelasku na

regulisanje kliznim pritiskom, u odnosu na slian reim regulisanja regulacionim i prigunim ventilima kod konstantnog pritiska svjee pare (linija ekspanzije AB1C1E1 na slici 5.11), dat je na primjeru kondenzacione turbine K-300-240 (LMZ), iji je proces ekspanzije pare u TVP prikazan na slici 5.11. Radi se o energetskom bloku sa nadkritinim parametrima pare i

Energetske maine

Parne turbine 5.53

meupregrijavanjem pare. Kao u taki 5.2.2.1 ovog poglavlja, posmatran je parcijalni protok pare 39% od nominalnog, to odgovara nekom tehnikom minimumu, ali pri sagorijevanju tenog goriva u parnom kotlu, kapaciteta pare od oko 1000 t/h. Zbog moguih opasnih odstupanja ili zapaenog pogoranja temperaturnog i hidraulikog reima kod snienih optereenja do 30-40% od nominalnog, kotlovi se u tom sluaju prevode na rad sa dokritikim pritiskom. Naravno, tehniki minimum kotlova na ugalj je vii (5060% nominalnog), pa navedeno optereenje od 39% nije sasvim prikladan primjer za uslove naih elektrana na lignitni, odnosno mrki ugalj.

Prelazak na reim rada turbine sa kliznim pritiskom prikazan je

linijom AkBkCkEk pri protoku pare od 39% nominalnog, na slici 5.11. Parametri pare pred turbinom su 12,5 MPa i 540 0C sa entalpijom od 3448 kJ/kg. Pritisak i temperatura pare pred regulacionim (prvim) stupnjem iznosi 12,3 MPa i 535 0C, naravno sa istom entalpijom, pri emu priguivanje regulacionim ventilima iznosi oko 0,2 MPa. Izentropski toplotni padovi sa stanjem pare pred stop ventilima iznosi 576 kJ/kg, a pred regulacionim stupnjem 564 kJ/kg. Izentropski i iskorieni toplotni padovi regulacionog stupnja iznose 176 kJ/kg odnosno 88 kJ/kg, tako da je unutranji SKD regulacionog stupnja povean sa 0,487 na 0,5. Iskorieni toplotni pad u TVP dostigao je vrijednost 450 kJ/kg, to je za 56 kJ/kg vie nego u reimu sa konstantnim pritiskom pare pred turbinom.

Analizom dijagrama na slici 5.11, mogu se konststovati jo neke

interesantne karakteristike kod reima sa kliznim pritiskom:

temperatura pare na izlazu iz TVP poveana je sa 249 na 281 0C; unutranji SKD povean je sa 0,763 na 0,798, to je povezano sa

poveanjem zapreminskog protoka pri poveanju temperature pare po protonom dijelu TVP;

unutranji SKD TVP iznosi 0,781.

Predhodni podaci nas navode na zakljuke u vezi sa prelaenjem rada energetskih blokova na klizne pritiske. Kod primjene kliznog pritiska svjee pare i kod snienih optereenja, vii je pritisak i temperatura pred prvim stepenom TVP nego kod regulacije priguivanjem (linija ekspanzije AB1C1E1 na slici 5.11). To uslovljava i veu vrijednost poetne entalpije. Istina i entalpija iza TVP je neto via, ali za neto manju veliinu nego to

Energetske maine

Parne turbine 5.54

je porast poetne enetalpije. Dakle, pri znaajnijem smanjenju optereenja na turbini, toplotni pad i SKD protonog dijela TVP, zadrava se praktino nepromijenjen, skoro kao i kod nominalnog optereenja.

Kod regulisanja priguivanjem, SKD sniava se kod smanjenih

protoka pare, zbog gubitaka priguivanjem u regulacionom ventilu. Zbog toga se moe rei da je unutranja snaga TVP pri regulisanju kliznim pritiskom vea nego kod regulisanja priguivanjem.

Regulisanje broja obrtaja ili snage turbine u uslovima kliznog pritiska

svjee pare, u znaajnijoj mjeri je povezano sa uslovima rada parnog kotla. Pouzdanost rada grejnih povrina kotla zavisi od niza neravnomjernosti koje se mogu pojaviti, posebno kod snienih optereenja bloka odnosno smanjenih protoka pare kroz isparivake cijevi kotla, to se definie odreenim koeficijentima: temperaturne neravnomjernosti, toplotne neravnomjernosti, neravnomjernost prijema tolote, hidraulike neravnomjernosti i slino. U odreenim uslovima to moe uticati na pogorano hlaenje odreenih cijevi u jednom cijenom snopu (panelu) i do njihovog prijevremenog oteenja.

Kod regulacije turbine sa promjenljivim (kliznim) pritiskom pare na

ulazu u turbinu, sa promjenom snage turbine mijenja se pritisak pare u kotlu. To se odnosi i na isparivake cijevi gdje je temperatura fluida u zoni faznog prelaza jednoznano odreena pritiskom.

Kod sniavanja optereenja u reimu kliznog pritiska, sniava se i

temperatura metala isparivakih cijevi zajedno sa sniavanjem temperature mjeavine vode i pare, to je povoljno sa stanovita produavanja ivotnog vijeka cijevi. Ipak, kod dokritinih pritisaka isparivake cijevi predstavljaju ogranieni sistem, u kome, pri kretanju kljuajue tenosti, dolazi do neprekidne promjene strukture struje, koja se karakterie poveavanjem parne i smanjivanjem tene faze.

U cilju obezbjeenja temperaturnog reima isparivakih cijevi, veoma

je vano da sve paralelne cijevi grejne povrine rade u raunskim (srednjim) uslovima. U stvarnosti se deava da je razliita raspodjela radnog fluida po cijevima (hidralika neravnomjernost), pa se entalpija fluida na izlazu pojedinih cijevi znatno razlikuje od neke srednje (raunske) vrijednosti.

Energetske maine

Parne turbine 5.55

Hidraulika i toplotna neravnomjernost moe utjecati na nestabilnost hidralike karakteristike i pulzaciju strujanja. Hidraulika karakteristika p = f(w,) protonih elemenata isparivakih panela je vieznana, kada jednom padu pritiska p odgovara nekoliko (tri) vrijednosti protoka Gsm. U takvim uslovima nestabilne hidraulike karakteristike, jednom padu pritiska odgovaraju razliititi protoci paro-vodne smjese, sa znatno razliitim sadrajem pare na izlazu iz cijevnih paketa, a u nekim cijevima ta razlika moe da bude nesrazmjerno velika.

Kod nestabilnih reima strujnog toka, protok kroz pojedine cijevi moe da se mijenja sa periodinim protokom smjese znatno razliitog sadraja pare. Takvi uslovi rada obino dovode do oteenja isparivakih cijevi. Poto je osnovni uzrok nestabilnosti karakteristike razlika specifinih zapremina vode i pare, sa poveanjem pritiska karakteristika e postati stabilna.

Promjena temperature isparavanja kod kotlova s bubnjem moe dovesti do odreenih nedozvoljenih termikih naprezanja, posebno debelih stijenki bubnja kotla. Dozvoljena brzina promjene temperature stijenke bubnja je do 5 0C/min, to limitira i brzinu promjene snage turbine. Savremeni Benson parni kotlovi na ugalj sa kliznim pritiskom mogu da reaguju na promjenu optereenja brzinom 46 %/min.

Predhodno su navedeni neki primjeri moguih ogranienja i pogoranja uslova rada kotla pri reimu kliznog pritiska. Zbog toga je vano da se izvre odreena ispitivanja kotla i utvrde karakteristike rada u uslovima promjenljivog pritiska i optereenja energetskog bloka.

Regulisanje snage parne turbine, koja pogoni elektrini generator, praktino se svodi na regulisanje broja obrtaja rotora turbine, tj. odravanje nominalnog i konstantnog broja obrtaja pri bilo kojem optereenju. Regulisanje se ostvaruje automatski, na nain to su organi za raspodjelu pare povezani sa regulatorom broja obrtaja.

Energetske maine

Parne turbine 5.56

5.2.3. Regulacioni ureaji parnih turbina 5.2.3.1. Principijelne eme regulacije turbina sa konstantnim pritiskom pare pred turbinom

Osnovni zadatak sistema regulisanja parnih turbina je odravanje na zadanom nivou parametara elektrine i toplotne energije, koje se odvode potroaima. Svaki turboagregat je opremljen sa regulatorom broja obrtaja, koji prema stvarnom broju obrtaja vratila turbine, upravlja sistemom koji je definisan uzajamnom vezom spoljanjeg optereenja elektro mree i momenta koga stvara para na vratilu turbine. Pored toga, sistem regulisanja treba da sauva turbinu od avarnih reima, praktino dublirajui najvanije organe zatite turbine. Regulacioni ureaji treba da zadovolje slijedee uslove:

stabilno odravanje zadanog elektrinog i toplotnog optereenja i

odravanje turbine na praznom hodu pri nominalnom broju obrtaja i potpuno otvorenim zapornim i stop ventilima (djeluju samo regulacioni ventili);

obezbjeivanje kontinualnog (bez trzaja) pomjeranja regulacionih ventila pri promjeni optereenja turbine;

odravanje broja okretaja rotora turbine i pri naglom rastereenju sa nominalnog optereenja do nule, a da ne proradi automatski brzinski izbaciva turbine;

kvalitativni pokazatelji sistema regulisanja treba da se nalaze u odreenim granicama i tolerancijama:

- stepen neravnomjernosti regulisanja turbine treba da je

%5,05,4 ; - stepen neosjetljivosti regulisanja do 0,3% kod turbina snage

MW50 i vie, a 0,5 % za trubine manjih snaga; - lokalni stepen neravnomjernosti od 2,5 do 6 %.

Pored navedenih uslova, sistem regulisanja treba da ima mogunost

uspostavljanja novo