Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние технологий и технических средств децентрализованного энергоснабжения сельскохозяйственных объектов 12
1.1. Солома и пожнивные остатки как источник энергии 12
1.2. Энергетические свойства пожнивных остатков злаковых культур 15
1.3. Уборка, хранение и перемещение соломы 17
1.4. Способы выработки тепла и электроэнергии из пожнивных остатков злаковых культур 19
1.5. Станции комбинированной выработки тепла и электроэнергии 39
1.6. Выводы, постановка задач, гипотезы и алгоритм исследования 42
2. Теоретические предпосылки определения параметров и режима работы паросиловой установки для получения тепла и электроэнергии 45
2.1. Основной цикл паросиловой установки 45
2.2. Математическая модель рабочего процесса макета паросиловой установки для получения тепла и электрической энергии в детерминированной записи основных расчётных зависимостей 62
2.3. Рабочая точка системы "котёл - паропровод с турбогенератором" 69
2.4. Физико - химические свойства соломы злаковых культур и температура её сгорания 73
2.5 Физическое моделирование параметров и режима, работы натурной паросиловой установки для выработки тепла и электроэнергии 75
2.6. Исследование устойчивости работы паросиловой установки при выработке электроэнергии 79
2.7. Выводы 85
3. Общая программа и методика экспериментальных исследований 87
3.1. Программа и задачи экспериментальных исследований 87
3.2. Оборудование и приборы для экспериментальных исследований 87
3.3. Частные методики проведения экспериментальных исследований 91
3.4. Методика оптимизации формы и рабочий площади лопатки турбины 93
3.5. Методика обработки результатов однофакторных экспериментов 94
4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 97
4.1. Определение мощности парового котла 97
4.2. Оптимизация формы и рабочей площади лопатки активной установки 97
4.3. Выбор натурного образца парового котла 106
4.4. Определение паропроизводительности и давления пара в котле имитационной установки для электроснабжения 111
4.5. Определение параметров турбогенератора паросиловой установки для электроснабжения 114
4.6. Корректировка схемы паросиловой установки и её параметров 120
4.7. Методика инженерного расчёта паросиловой установки для электроснабжения 122
4.8 Выводы 125
5. Технико-экономическая оценка результатов исследования 126
5.1. Технико-экономическая эффективность разработанного устройства децентрализованного энергоснабжения 126
5.2. Расчет капитальных вложений 128
5.3. Расчет эксплуатационных затрат 130
5.4. Оценка эффективности капиталовложений 132
Заключение 137
Список литературы 139
Приложения 154
- Способы выработки тепла и электроэнергии из пожнивных остатков злаковых культур
- Исследование устойчивости работы паросиловой установки при выработке электроэнергии
- Оптимизация формы и рабочей площади лопатки активной установки
- Определение параметров турбогенератора паросиловой установки для электроснабжения
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Поскольку существующие
системы передач электрической энергии удаленным
сельскохозяйственным потребителям обладают недостаточной
наджностью и большими капитальными затратами на их сооружение, необходимость в надежных и экономичных источниках автономного энергообеспечения, способных работать на биотопливе, стала одной из ключевых задач для удалнных сельскохозяйственных потребителей.
Современные общемировые тенденции развития источников энергии направлены в область альтернативных технологий. Потенциально важным для сельскохозяйственных регионов видом энергии является биомасса соломы зерновых культур. Масса накопления соломы злаковых и крупяных культур в России за год составляет 80–100 млн тонн. Элементарный состав соломы и теплота ее сгорания не слишком отличаются от соответствующих показателей для древесины, хотя теплота сгорания соломы ниже, чем у сухой древесины. C другой стороны, с учетом обычной для соломы влажности ниже 20%, теплота сгорания соломы оказывается выше, чем у древесной щепы, которая в настоящее время начинает широко использоваться в северо-западных и восточных регионах России и давно используется в странах Северной Европы.
Содержание энергии в 1 кг дизельного топлива и в 2,4 кг соломы одинаковое. Один рулон диаметром 1,8 м и массой 330 кг заменяет минимум 140 литров дизельного топлива или 140 м3 природного газа.
Степень разработанности. Наиболее значительный вклад в развитие альтернативной энергетики, внесли такие учные как Р.А. Амерханов, Ф.Г. Ахтямов, И.Ф. Бородин, Н.В. Цугленок, В.В. Головинов, М.А. Таранов, Т.Б. Лещинская, С.М. Воронин,
4 Г.Г. Гелетуха, Т.А. Железная, И.И. Борисова, О.В. Григораш,
С.А. Симоненко, В.В. Каминский, Г.В. Никитенко, Д.А. Ковалев,
А.Н. Васильев, М.В. Романова.
Однако в настоящее время нет приемлемых отечественных устройств для преобразования теплоты от сгорания соломы в электроэнергию, способных эффективно работать в условиях отечественного сельского хозяйства. Поэтому совершенствование систем, не требующих традиционных углеводородных источников энергии, направленное на увеличение надежности энергоснабжения и снижение затрат на строительство, является одним из важнейших направлений в развитии энергоснабжения.
Объект исследования – модель парогенераторной установки, работающей на пожнивных остатках, процессы парообразования и получения электроэнергии.
Предмет исследований – закономерности процесса
парообразования в турбогенераторной установке, работающей на пожнивных остатках, и зависимости е работы от параметров процесса парообразования.
Цель исследования – обоснование параметров
парогенераторной установки, работающей на пожнивных остатках, для комбинированного получения тепла и электроэнергии.
Задачи исследования:
-
Обосновать блок-схему автономного источника энергии на базе использования пожнивных остатков среднестатистического фермерского хозяйства.
-
Произвести математическое моделирование процесса получения тепла и электроэнергии с помощью энергоустановки.
-
Подтвердить адекватность результатов теоретических исследований реального процесса паросиловой установки.
-
Оптимизировать параметры и режимы работы энергоустановки, функционирующей на базе использования энергии пожнивных остатков.
5 5. Дать технико-экономическую оценку результатов исследований в
производстве.
Научную новизну представляют:
– математическая модель рабочего процесса паросиловой установки для получения теплоты и электрической энергии;
– полученные зависимости процесса парообразования при
горении соломы от параметров топочного устройства, позволившие
определить режимы выработки электрической энергии в
паротурбинной установке;
– зависимости частоты ЭДС от продолжительности процессов изменения давления пара при загрузке и догорании соломы.
Теоретическая и практическая значимость исследований заключается в разработке системы когенерации, преобразующей теплоту в электроэнергию, а также в методике е расчета, которая позволяет:
– определить рабочие характеристики паротурбинной установки для выработки электрической энергии;
– определить условия стабильной частоты ЭДС и напряжения при изменении давления пара при загрузке и догорании соломы;
– повысить надежность энергоснабжения удалнных
сельскохозяйственных потребителей;
Методология и методы исследований. В работе использованы методы теории подобия, математической статистики, планирования эксперимента и регрессионного анализа; методы энергетических расчетов.
Результаты исследования обрабатывались с применением прикладного пакета статистических программ (а именно Microsoft Office, КОМПАС-3D, Mathcad).
Выполнено геометрическое моделирование параметров и
режимов работы предлагаемой разработки (установки) по
6 характеристикам, полученными в результате исследований имитационной паросиловой установки.
На защиту выносятся следующие основные положения:
– блок-схема установки, работающей на сжигании пожнивных остатков;
– детерминированная математическая модель процесса
получения теплоты и электроэнергии;
– параметры паротурбинной установки, приспособленной к получению пара высокого давления при сжигании пожнивных остатков.
Реализация и внедрение результатов работы.
Разработанная методика оптимизации параметров и режима работы установки, функционирующей на базе сжигаемых пожнивных остатков внедрена на нескольких предприятиях: ООО «Егорлык-Агро», ООО «КАГАЛЬНИЦКАГРОПРОМЭНЕРГО», а также в учебный процесс АЧИИ ФГБОУ ВО Донской ГАУ.
Степень достоверности и апробация работы обеспечена
точным соблюдением методики экспериментальных исследований,
объмом полученных статистических данных (экспериментальных) и
их достаточной сходимостью с теоретическими, рациональным
применением основных положений теоретических основ энергетики,
электро- и теплотехники, корректностью используемых методик
исследования и проведнных расчтов. Экспериментальные
исследования проводились с применением современных поверенных цифровых технических средств измерения. Основные положения и результаты исследований доложены и одобрены на научно-технических конференциях АЧГАА (г. Зерноград, 2011–2014 гг.), Ставропольского ГАУ (2012 г.).
Публикации. Результаты исследований отражены в 6 научных работах, в том числе 3 публикациях в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. Общий объем
7
публикаций составляет 3,28 печатных листа, из них личный
вклад автора – 1,61 печатных листа.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа
Способы выработки тепла и электроэнергии из пожнивных остатков злаковых культур
В главе рассмотрены технологии выработки тепла и электроэнергии на опыте Датских фермерских соломосжигающих котлов, тепловых станций и станций комбинированный выработки тепла и электроэнергии.
Тепловые станции. Тепловые соломосжигающие станции обычно классифицируют по типу установленного котла. Ниже указаны виды станций с котлами в Дании за 2017 год:
- для сжигания резанной соломы;
- для сжигания соломы, измельченной скарификатором;
- для сжигания рулонов соломы методом сигарного сгорания;
- периодического действия (сжигание целого рулона соломы);
- для сжигания разделенных на части рулонов соломы.
На рисунке 1.1. приведена схема тепловой станции, на которой рулоны соломы сжигаются по методу сигарного сгорания [122]. Рулоны соломы целиком захватываются подъемным краном и перемещаются в систему подачи сырья, откуда гидравлическим поршнем непрерывно проталкиваются в котел.
Рулоны сгорают с одного конца по мере продвижения в топку котла. То есть, фронт горения неподвижен, а через него, сгорая, перемещаются рулоны соломы. При нагреве соломы выделяются летучие вещества, которые сгорают вследствие подачи вторичного воздуха через ряд форсунок. Несгоревшие частицы соломы и зола из фронта горения падают на водоохлаждаемую решетку, где происходит полное догорание сырья. Очистка продуктов сгорания происходит в тканевом фильтре.
В установках, использующих измельчённую солому, сжигание происходит в нескольких зонах на подвижной литой металлической решетке. Солома на решетку подаётся пневмотранспортом и шнеком. Для каждой зоны организована отдельная подача воздуха. Для полноценного сгорания летучих веществ также поступает вторичный воздух, который подводится через форсунки, расположенные специальным образом на стенках котла. Из топки котла продукты сгорания попадают в конвекционный отсек котла, где через стенки отдают основную часть своего тепла циркулирующей воде. Обычно на тепловых станциях присутствует экономайзер-теплообменник, расположенный за конвективным отсеком. Эти устройства увеличивают общий КПД котла. На станции с котлом периодического действия тюки соломы из загрузочного отсека поступают в предтопок, который работает как газификационная камера.
В предтопке солома воспламеняется от контакта с уже горящим сырьем. Подача воздуха регулируется в зависимости от степени сгорания газов. В нижней части котла расположен конвейер, который медленно перемещает горящие рулоны соломы по направлению к топке котла. Ниже представлены данные тепловой станции Hvidebek (Дания), снабжающей теплом 560 потребителей. Станция оборудована котлом мощностью 5 МВт, конструкция которого рассчитана на сжигание смеси топлив: соломы (60 %) и отходов различного сельскохозяйственного происхождения (40 %). Рулоны перед подачей в котел перерабатывается специальным устройством, скарификатором. Тепловая станция Hvidebek вырабатывает 66 тыс. ГДж/год, расход соломы - 3,8 тыс. т/год, уровень выброса летучих частиц - менее 40 мг/ нм3. Капитальные затраты на строительство тепловой станции (без учета затрат на строительство тепловой сети) составили 12,25 млн долл.
Фермерские котлы. К фермерским котлам можно отнести котлы мощностью не более 1 МВт. Они обычно подразделяются на котлы периодического, действия и котлы с автоматической загрузкой сырья. Сейчас большая часть котлов периодического действия предназначена для сжигания средних и крупных брикетов соломы. Котлы различного размера могут вмещать от одного цилиндрического рулона до нескольких рулонов "Хесстона". Принципиальная схема котла периодического действия показана на рис.1.2 .
Для увеличения полезного действия процесса горения и снижения выброса частиц продуктов горения регулируется подача воздуха, плавно изменяясь от верхней до нижней секций котла. При постепенном перемещении области подачи воздуха можно достичь равномерного горения рулона или тюка соломы.
Чтобы обеспечить нужную концентрацию продуктов горения, воздух подается в направлении, противоположном выходу дымовых газов из топки котла (горизонтально с того же конца топки, где расположен выход дымовых газов, или вертикально сверху вниз из-под трубок, по которым выходят продукты сгорания). Камера сгорания котла теплоизолированная. Обычно влажность пожнивных остатков злаковых культур не превышает 18%. Коэффициент полезного действия котла с периодической загрузкой - около 75%, концентрация СО в продуктах горения - менее 0,5 %. Фермерские котлы почти всегда оборудованы баком-аккумулятором для сохранения определённой температуры горячей воды, что позволяет повысить качество сжигания, но расход соломы при этом, к сожалению, существенно не снижается.
Фермерские котлы с автоматической подачей сырья отличаются тем, что в комплекс входит установка для дозирования, непрерывно и автоматически подающая сырьё в котёл. Производятся устройства дозирования для рулонов соломы, измельченной соломы и соломенных гранул. Российские производители предлагают водогрейные котлы для сжигания рулонов соломы с круглым сечением, что является результатом исследований Института проблем химико-энергетических технологий и филиала «Агалит» НПЦ «Полюс» г.Томск. Данные водогрейные котлы производят только тепло, нет отдельного устройства отбора пара или горячей воды на турбогенератор. Они не стабилизируют давление пара, поскольку используются лишь для отопления. Соответственно частота вращения турбины, на которую подаётся пар, будет не постоянной const, вследствие чего будет невозможно бесперебойное и соответствующее ПУЭ обеспечение потребителя электроэнергией
Один из котлов представлен на рисунке 1.3. который используется для обеспечения теплом зданий и сооружений и производственных объектов в сельской местности, оборудованных системами водогрейного отопления с естественной или принудительной циркуляцией. Котел работает в периодическом режиме, сжигая цилиндрические брикеты пожнивных остатков злаковых культур диаметром 2 м и высотой 1,9 м. Основным видом топлива являются рулоны соломы с содержанием влаги не более 20%. Также можно использовать дрова, отходы деревообработки (но не опилки) влажностью до 30%. Топка котла выложена шамотным кирпичом. Вверху над топкой котла располагается дымогарный бак, теплообменник, внутри которого расположены два пучка жаровых труб. Непосредственно в верхней части топки котла расположены охладители свода. Межтрубное пространство теплообменного блока и охладители свода подключаются к системе отопления.
Рулоны соломы размещаются в нижней части топки котла, в которой установлена колосниковая решетка. Под колосниковой решёткой установлена зольная камера с помещёнными в ней ящиками для выгрузки золы. В передней стенке зольной камеры находится устройство для регулируемой подачи воздуха в зону горения, а в задней – топки для вывоза тележек с золой.
Чтобы повысить эффективность горения топлива в конструкции котла существует камера дожигания; она расположена на входе в теплообменный блок, а также устройство, облегчающее чистку дымогарных труб в процессе эксплуатации. Для уменьшения потерь тепла котёл теплоизолирован слоем минеральной ваты и закрыт защитным металлическим корпусом.
Подача топлива в котел осуществляется по специальному подъёмнику-по наклонному быстросъёмному трапу, что позволяет улучшить котёл в противопожарном отношении и сделать его более безопасным.
Расчетная мощность котла начинается от 600 кВт. При этом, давление нагреваемой воды около - 0,4(4,0) МПа (атм); максимальная температура же составляет - 95C. Размеры установки (длина ширина высота) 3,3 3,2 5,7 м, масса - 12,8 т.
Исследование устойчивости работы паросиловой установки при выработке электроэнергии
Нами предполагается использовать биотопливо (пожнивные остатки) не только для получения теплоты, но и выработки электрической энергии. Функциональная схема такого процесса, представлена на рисунке 2.13.
Так как предлагаемое нами топливо отличается менее стабильными характеристиками горения, то для условий комбинированного получения тепловой и электрической энергии необходимо провести проверку устойчивости процесса получения именно электрической энергии. Нестабильность заключается в повышении давления пара при загрузке свежей порции соломы, и снижении давления пара при ее догорании.
Электроэнергия вырабатывается посредством синхронного генератора, приводимого во вращение паровой турбиной, пар от которой получают путем сжигания соломы. При этом возможны режимы (изменение давления пара), когда характеристики предлагаемого топлива могут влиять на частоту вращения турбины, а следовательно, и на частоту получаемой от синхронного генератора ЭДС.
Электрическая характеристика синхронного генератора описывается следующими выражениями где : fi - частота ЭДС синхронного генератора, Гц; р - число пар полюсов; п - скорость вращения якоря генератора, с"1; Ei - электродвижущая сила в статоре генератора, В; w - число витков в фазе статора; кОБ1 - обмоточный коэффициент; Фі - магнитный поток, пересекающий обмотку статора, вб; РЭ - электромагнитная мощность, Вт; ЕО - э.д.с, наводимая в статоре полем обмотки возбуждения, В; U - напряжение на зажимах генератора, В ; xd - синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси; в - угол между ЕО и U ; - угол между током и напряжением.
В соответствии с (2.6.1), (2.6.2), (2.6.3) основные электрические характеристики зависят от скорости вращения ротора генератора. Для сохранения частоты ЭДС в пределах 48 - 52 Гц скорость вращения должна быть в пределах 0,96 - 1,04 пн (см.( 2.6.1))
При уменьшении или увеличении давления пара или при резком изменении электрической нагрузки возникают моменты сил, стремящиеся изменить скорость вращения генератора. Так как синхронный генератор работает в изолированном режиме, то единственным моментом, противодействующим изменению скорости вращения, является динамический момент, обусловленный моментом инерции всех вращающихся частей турбины.
Процесс изменения скорости состоит в следующим.
Предложим, в начале процесса было равенство вращающего момента и электромагнитного, чему соответствовал угол в=вх. Если в результате увеличения давления пара вращающий момент турбины увеличится, то равновесие моментов нарушится. Для достижения нового положения равновесия электромагнитный момент генератора должен увеличиться, чему должен соответствовать новый угол в2. Учитывая, что турбина обладает моментом инерции, изменение угла будет совершаться с некоторым переменным ускорением согласно уравнению (2.6.5). Ротор, получивший угловое ускорение, постепенно повышает свою частоту вращения, в результате чего постепенно изменяется угол между ЭДС и напряжением.
Однако, при достижении угла в2 рост скорости вращения не прекратится, так как ротор накопил за это время кинетическую энергию. Таким образом, изменение угла в1 после достижения равновесия не прекратится, но при этом электромагнитный момент станет все более превышать вращающий момент. Это приведет к торможению и остановке процесса изменения скорости угла. Превышающий электромагнитный момент вынудит опять изменяться угол между ЭДС и напряжением, но уже в другую сторону. Таким образом, процесс повториться, но в обратную сторону.
В результате успокоительных сил наступит равновесие между вращающим и электромагнитным моментами.
Следует отметить, что если повышенный вращающий момент будет действовать в течении непродолжительного периода, а момент инерции турбины будет достаточным, то процесс окончательного изменения электромагнитного момента потребует достаточно большого промежутка времени и генератор будет работать с допустимой частотой вращения.
Провалы давления пара вызывают аналогичные процессы изменения скорости генератора, но в сторону уменьшения.
Исследуем зависимость времени, необходимого на увеличение скорости вращения ротора генератора до допустимой величины, от вращающего момента, вызванного увеличением давления пара.
Увеличение давления пара вызывает приращение вращающего момента на величину М, который стремится увеличить частоту вращения ротора генератора на величину = Д - Н (Д - допустимая скорость вращения, Н - номинальная скорость вращения). Момент инерции паровой турбины препятствует такому изменению частоты вращения, поэтому этот процесс требует определенного времени. Таким образом, избыточный вращающий момент от повышения давления пара совершает работу по изменению частоты вращения ротора, преодолевая его момент инерции. Этому соответствует следующее уравнение
На рисунке 2.14 показана теоретическая зависимость времени действия увеличенного давления, приводящая к изменению скорости вращения до допустимого значения, от степени увеличения давления. Как следует из приведенной зависимости, паровая турбина, при изменении давления пара ± 10% практически обеспечивает вращение ротора генератора с допустимой скоростью. Однако, при больших изменениях давления недопустимое увеличение частоты может произойти за время, менее 5 секунд. Для устранения этого явления предлагается использовать классический способ регулирования частоты вращения путем регулирования тока возбуждения. Этот же способ следует применять и при резких колебаниях мощности нагрузки (см. рисунок 2.13).
Для численной проверки времени разгона проводился эксперимент на реальной паротурбинной установке, расположенной на фермерском хозяйстве ООО «Егорлык - Агро» станице Егорлыкской Ростовской области. Акт внедрения прилагается (см. Приложение 2). Производственная проверка подтвердила возможность получения электроэнергии от парогенераторной установки, работающей на пожнивных остатках.
Оптимизация формы и рабочей площади лопатки активной установки
При проектировании паровых турбин особое внимание уделяется на вибрационную характеристику их лопаток. Усилия, действующее на лопатку, имеют периодические составляющие и, если эти составляющие совпадают с собственной частотой лопаток, то получается явление резонанса, при котором даже небольшие периодические (циклические) усилия вызывают значительную вибрацию, которая может повлечь за собой поломку. Из опыта эксплуатации турбин известно [6,63], что на вибрационные характеристики лопатки значительно влияют её форма, рабочая площадь, а также отношение длины лопатки к её радиусу кривизны. Кроме того, от выбора конструкции лопаток зависит мощность турбины и её экономичность, то есть, её КПД. Поэтому оптимизация формы и рабочей площади лопаток паровых турбин является неотъемлемой частью при разработке, проектирования и изготовления паросиловых установок.
Оптимизация осуществляется, как правило, через много факторный эксперимент на основании многочисленных опытных данных.
Для решения этой задачи в экстремальный эксперимент вошли факторы, полученные в результате проведения априорного их ранжирования (20 оппонентов), - это площадь и форма лопатки, а также соотношение длины лопатки "/" и радиуса R её кривизны. При этом, для прямой лопатки это соотношение обозначено как = - = 0; (4.2.1) параболической - тпб; гиперболической - тгб.
Описание поверхности отклика было выполнено уравнением второго порядка для трёх факторов (ортогональный план) где у- функция отклика регрессионной зависимости параметров определяющих площадь и форму лопаток
Оценивая коэффициенты регрессии (табл. 4.2), видим, что все коэффициенты значимы и все они рассматриваются при дальнейшем анализе.
Следовательно, по критерию Фишера данная модель была принята.
Анализ поверхности отклика проводился с помощью двумерных сечений.
Для этого уравнение подверглось каноническому преобразованию, которое в стандартной канонической форме имеет вид
Каноническое уравнение изучалось с помощью двумерных сечений.
Исследовалось влияния формы лопатки турбины и её площади на соотношение "m" при z1=0. Для получения этого сечения подставляем значение z1=0 в уравнение. В результате имеем
Следует отметить, что если угол поворота S - положителен, то оси в центре поворачиваются против часовой стрелки. Подставляя различные значения Y в уравнение Д, получаем уравнение соответствующих контурных линий - гипербол, в совокупности представляющих целое семейство сопряженных гипербол линий равного значения коэффициента "m"(рис. 4.1).
Из формулы "Д" и графика (рис.4.1) следует, что максимальное значение "m" в рассматриваемом сечении поверхности отклика при прочих факторах (z2 и z3), взятых на указанных уровнях, расположено между значениями mпб=0,25 и mгб=0,33(3) и равно 0,597. Площадь лопатки находится в диапазоне от 1257 до 1963 мм2. Эти значения ближе к лопатке гиперболической формы со средней её рабочей площадью, равной 1610 мм2.
Из этого можно заключить, что, оптимальный формой лопатки паровой турбины является лопатка гиперболической формы с рабочей площадью, равной 1610 мм2.
Аналогичным способом были построены и оставшиеся два двумерных сечения (рис.4.2 и рис. 4.3).
С целью оценки влияния факторов "т" и площади лопатки (z3) на её форму рассматривалось двумерное сечение поверхности отклика при z2=0.
Линии равных уровней представляют собой эллипсы (рис. 4.2), соответствующие каноническому уравнению
Из анализа функции отклика (рис. 4.3) следует, что оптимальным значением критерия является значение 0,615, соответствующие значению 0,33(3) для прямолинейной и гиперболической лопатки. Увеличение этого значения от центра "S" двумерного сечения предпочтительно для гиперболической формы лопатки (рис. 4.4).
Таким образом, из анализа функции откликов (рис. 4.1; рис. 4.2; рис. 4.3) следует, что из всех трёх исследованных форм лопаток активной паровой турбины гиперболическая форма наиболее предпочтительна со средней рабочей площадью, равной 2105,75 мм2. На рисунке 4.4 эта лопатка показана.
Для паровых турбин используются гиперболические формы лопаток с острыми и обтекаемыми кромками.
С целью уменьшения турбулентности потока пара, действующего на лопатку, гиперболическая лопатка принята с обтекаемыми кромками (рис. 4.4).
Определение параметров турбогенератора паросиловой установки для электроснабжения
Прежде, чем производить расчёт параметров паровой турбины, приведём краткую классификацию существующих паровых турбин.
Паровые турбины классифицируют по следующим признакам.
1. По способу действия пара на лопатки: активные, если все ступени давления турбины чисто активные или имеют небольшую степень реакции (0,05…0,15); реактивные, если все ступени турбины работают со степенью реакции около 0,5…0,6; комбинированные, у которых часть ступеней в области высоких давлений активные, а последующие ступени - реактивные.
2. По начальному давлению пара: турбины мятого пара низкого давления 1,2…2 ата, среднего давления до 40 ата, высокого давления до 90 ата, повышенного давления до 130 ата, сверхвысокого до 240 ата, сверхкритического - для давлений выше критического.
3. По характеру теплового процесса: конденсационные турбины, выполняемые в настоящее время в большинстве случаев с нерегулируемыми отборами пара для регенеративного подогрева питательной воды. Основной поток пара у этих турбин расширяется до давления 0,03…0,05 ата и поступает в конденсатор. Обозначаются буквой "К". конденсационные турбины с регулируемыми отборами пара, используемые для удовлетворения нужд тепловых потребителей. Эти турбины различаются по давлениям в регулируемых отборах. Турбины, предназначенные для удовлетворения нужд теплофикации (отопления, вентиляции, горячего водоснабжения), характеризуется регулируемым отбором пара при 0,7…1,2…2,5 ата и обозначаются буквой "Т"; турбины с регулируемыми отборами пара при 5…10…12 ата предназначенные для снабжения теплом производства, они обозначаются буквой "П". Турбины с двумя регулируемыми отборами пара обозначают буквами "ПТ". противодавленческие турбины, характеризующиеся различным конечными давлениями, но более высокими, чем у конденсационных. Пар после противодавленческой турбины используют для различных целей, например для теплофикации. В этом случае конечное давление может быть ниже атмосферного (0,6…0,8 ата). Такие турбины называют турбинами с ухудшенным вакуумом. Большое распространение имеют так называемые "предвключенные" турбины с высокими начальными параметрами пара. Отработавший пар этих турбин при давлении 31…37 ата используют в турбинах среднего давления. Эти турбины применяют при модернизации существующих установок.
Противодавленческие турбины, после которых пар используют для нужд производства, изготовляет с противодавлением 1,2;3;5;10;15;18 ата. Противодавленческие турбины обозначаются буквой "Р".
Применяют противодавленческие турбины, имеющие регулируемый отбор пара.
Турбины мятого пара, использующие для выработки электрической энергии отработавший пар молотов, прессов и других паровых машин; изготовляют и турбины с подводом мятого пара различных давлений к промежуточным ступеням.
4. По числу ступеней: одноступенчатые с одной ступенью или одним диском и несколькими ступенями скорости; многоступенчатые.
5. По направлению движения пара при расширении в проточной части турбины: аксиальные (при движении пара параллельно оси вращения ротора); радиальные (при движении пара перпендикулярно оси вращения ротора).
6. По количеству и взаимному расположению цилиндров: одно-двух- и трехцилиндровые турбины; одновальные - при последовательном расположении всех цилиндров на одном валу и многовальные (двухвальные) - при параллельном расположении.
7. По принципу регулирования: турбины с дроссельным регулированием, сопловым, обводным, комбинированным.
8. По быстроходности: турбины с пониженной скоростью вращения (1000 и 1500 об/мин), с нормальной скоростью вращения (3000 об/мин), с повышенной скоростью вращения (5000 об/мин и выше); при соединении с электрическим генератором последние требуют установки дорогостоящих редукторов для снижения числа оборотов до нормального; с переменным числом оборотов. Турбины с переменным числом оборотов применяют на транспорте (судовые турбины, турболокомотивы) и для привода производственных машин (воздухо- или газодувок, насосов).
9. По назначению турбины разделяются на стационарные, предназначенные для соединения с электрическими генераторами, газо - и воздуходувками; вспомогательные, применяемые для привода машин собственных нужд; нестационарные (транспортные турбины).
Кроме перечисленных признаков, могут быть и другие, которые должны входить в характеристику турбины.
Как было указано выше, в работе применена паровая одноступенчатая активная турбина типа "Т" как одна из самых простых по конструктивному оформлению, эксплуатации, ремонту, надёжности и экономичности (рис.2.6 и рис. 4.8 ).
Исходя из рабочей площади лопатки, равной 2105,75 мм2 (см.рис. 4.4), задаёмся шириной лопатки tл=0,02м и её длинной lл=0,1 м. Расстояние R от оси вала турбины до центра лопатки равно 0,1м (задаёмся).
В связи с тем, что отбор пара в имитационной паросиловой установке для отопительных целей осуществляется перед турбиной, то, следовательно, давление пара на лопатку турбины составляло (см.рис.4.3) 3,43атм = 343 103Па.