science-review.ru
Паровые турбины используются не только в качестве двигателя для преобразования тепловой энергии пара, полученного в котле, в кинетическую энергию для вращения ротора электрогенератора [1], но также входят в состав многих производственных процессов в качестве привода других установок – компрессоров, нагнетателей, насосов и др. [2, 3].
В связи с широким распространением паровых турбин в различных технологических схемах является актуальным моделирование процессов, происходящих в них. На основе такого моделирования можно проследить влияние турбины на характеристики исследуемых схем, определить взаимосвязь различных теплофизических параметров на входе и на выходе турбины, найти вырабатываемую мощность.
Одной из современных программ, позволяющих моделировать различные промышленные установки, входящие в технологические процессы производства, переработки химических продуктов, получения энергии, а также создавать связи между ними, является система Aspen Plus, входящая в программный комплекс AspenONE. Эта программа отличается тем, что имеет огромную базу по свойствам веществ, используемых в производстве, и имеет совершенные и наглядные средства разработки моделей, состоящих из множества отдельных блоков.
Известны три способа регулирования мощности паровых турбин [4]:
1. Количественное (изменением расхода пара при постоянных теплофизических параметрах – температуре, давлении и др.).
2. Качественное (изменением параметров пара на входе в турбину, при неизменном расходе). Чаще всего это регулирование осуществляется изменением давления (регулирование скользящим давлением).
3. Смешанное – комбинация количественного и качественного регулирования.
Целью данной работы является разработка модели функционирования турбины, работающей на водяном паре, в программе Aspen Plus, а также исследование характеристик двух типов регулирования мощности – методами количественного и качественного регулирования, на примере конкретной модели турбины.
Разрабатываемая методика может помочь в дальнейших исследованиях при создании различных технологических схем, имеющих в своём составе паровые турбины, например [5]. При этом у разработчиков появляется возможность выбирать параметры турбины, позволяющие добиться её наилучших эксплуатационных и экономических характеристик.
Материалы и методы исследования
В качестве объекта моделирования выбрана турбина К-100-90 производства Ленинградского металлического завода [6]. Для получения требуемых характеристик регулирования рассмотрен изоэнтропный процесс расширения пара в данной турбине (идеальный процесс расширения без изменения энтропии) [7].
Вначале в программе Aspen Plus была создана схема, содержащая исследуемую турбину TURBINE, входной материальный поток рабочего тела INLET и выходной материальный поток OUTLET (рис. 1). Вырабатываемая турбиной мощность моделируется с помощью энергетического потока POWER.
Рис. 1. Модель технологической схемы подключения паровой турбины
Следует отметить, что одной из особенностей программы Aspen Plus является одинаковое визуальное изображение турбины и компрессора в составе схемы, при этом для компрессора значение энергетического потока POWER получается со знаком плюс (моделируется потребляемая мощность), а для турбины – со знаком минус (так как мощность не потребляется, а вырабатывается).
Далее, из базы веществ программы было выбрано рабочее тело материальных потоков – вода H2O (в рассматриваемом процессе имеет парообразное агрегатное состояние; в конце процесса с некоторой примесью влаги), для которого в той же базе заложены все необходимые для расчёта свойства – энтальпии, энтропии, удельные объёмы при разных давлениях и температурах и прочие.
Затем были заданы номинальные параметры рабочего тела, пара, на входе в турбину К-100-90 (поток INLET) согласно данным [6] (рис. 2).
Рис. 2. Задание начальных параметров пара
При вводе характеристик турбины (блок TURBINE) необходимо выбрать только тип модели (компрессор или турбина), выбрать тип процесса (изоэнтропный) и задать конечное давление процесса 5 кПа. Остальные параметры определяются программой автоматически в процессе выполнения вычислений.
Для построения зависимости мощности турбины от давления на входе и от расхода пара необходимо также правильно заполнить пункт Model Analysis Tools → Sensitivity.
В данном случае необходимо получить значения мощности, развиваемой турбиной, при следующем изменении параметров потока на входе INLET:
1) расхода рабочего тела от 1 до 420 т/ч при сохранении номинальных давления 90 бар и температуры 535 °С (регулирование мощности изменением расхода – количественное регулирование);
2) давления потока от 1 до 90 бар при сохранении номинальных температуры 535 °С и расхода 420 т/час (регулирование мощности скользящим давлением – качественное регулирование).
Результаты исследования и их обсуждение
После запуска расчёта программа определяет параметры выходных потоков: материального потока рабочего тела OUTLET и энергетического потока POWER при номинальных параметрах входного потока INLET турбины К-100-90 (рис. 3).
Рис. 3. Результаты расчёта параметров выходных потоков
Из результатов видно, например, что количество жидкой фазы (влаги) на выходе составляет 4,75 %, температура 36 °С, вырабатываемая турбиной мощность 118 МВт (что соответствует реальной внутренней мощности турбины около 100 МВт с учётом её относительного внутреннего КПД 80–85 %).
Далее была построена зависимость для мощности, вырабатываемой турбиной, при изменении расхода пара (рис. 4). Эта зависимость при изоэнтропном процессе является линейной [8].
Рис. 4. Зависимость мощности турбины от расхода пара
Рис. 5. Зависимость мощности турбины от давления пара на входе
Также построена зависимость мощности турбины, при варьировании давления пара на входе (рис. 5) – так называемая характеристика при регулировании мощности методом скользящего давления.
Из данного графика можно сделать важный вывод, что наибольший прирост мощности при увеличении давления на 1 бар наблюдается при относительно низких давлениях пара.
Подобным же образом можно построить любые зависимости параметров материальных и энергетических потоков. При этом можно рассматривать не только изоэнтропный процесс расширения пара, но и реальный, однако в описание модели турбины в этом случае необходимо добавить данные, полученные по результатам её детального теплового расчёта (например, по методике [9]) либо испытаний аналогичных турбин. Например, необходимо задаваться зависимостью относительного внутреннего КПД проточной части турбины от расхода пара и от его параметров на входе и выходе турбины. Также разработанную методику описания турбины можно использовать при моделировании тепловых схем турбоустановок [10] в программе Aspen Plus.
Заключение
Цель данной работы выполнена – разработана методика создания модели паровой турбины и исследования взаимозависимости различных её параметров с использованием системы численного моделирования Aspen Plus. Получены и проанализированы характеристики двух способов регулирования мощности турбины – количественного и качественного. Предложены пути дальнейшего совершенствования данной методики.