Hoe beïnvloedt gedeeltelijke toevoer een actiestoomturbine?

Gedeeltelijke stoomtoevoer beïnvloedt een impulsstoomturbine doordat stoom slechts door een deel van de nozzleomtrek wordt toegevoerd. Vergeleken met het regelen van alle nozzles via één gemeenschappelijke smoorklep kan dit de smoork verliezen bij deellast verminderen. Het veroorzaakt echter ook windageverliezen, verliezen aan de randen van de toevoersectoren en herhaalde bladbelasting. Het efficiëntievoordeel is daarom afhankelijk van de omstandigheden: de lagere smoork verliezen moeten opwegen tegen de extra aerodynamische verliezen, terwijl de bladspanningen binnen de ontwerpgrenzen blijven.

Deze afweging is van belang wanneer een turbine gedurende aanzienlijke tijd onder het nominale vermogen draait. Een wijziging in de werking van de nozzle groepen kan het stoomverbruik bij een bepaalde belasting verbeteren, maar bij een andere belasting een efficiëntiedip of sterkere trillingen veroorzaken. De relevante beoordeling is niet simpelweg of gedeeltelijke stoomtoevoer mogelijk is, maar hoe elk toevoerpatroon presteert binnen het verwachte bedrijfsbereik.

De toevoerfractie is niet hetzelfde als de turbinebelasting

De toevoerfractie is het deel van de nozzleomtrek dat actief stoom naar een bepaalde trap voert. Voor rondom verdeelde nozzles kan deze worden uitgedrukt alsε = actieve toevoerboog / totale omtrek. Regeling via nozzle groepen wijzigt het effectieve toevoeroppervlak door kleppen te openen of te sluiten die afzonderlijke groepen bedienen.

In een impulsstap vindt het grootste deel van de drukval plaats in de stationaire nozzles. De bewegende schoepen winnen arbeid terug door de gevormde straal om te buigen en af te remmen. Bij gedeeltelijke stoomtoevoer beweegt elke schoep herhaaldelijk door een actieve stoomsector en vervolgens door een inactieve sector, in plaats van ongeveer continu rondom stroming te ondervinden.

De toevoerfractie alleen bepaalt niet het massadebiet of het vermogen. Ook de keeldoorsnede van de nozzle, de stoomcondities aan de inlaatzijde, de druk aan de uitlaatzijde, de klepopening en de smoortoestand zijn van belang. Twee configuraties met dezelfde actieve boog kunnen verschillende debietcapaciteiten en verliezen hebben.

Gedeeltelijke stoomtoevoer wordt vaak toegepast in de regeltrap in plaats van op dezelfde manier door de hele turbine. In de volgende trappen verdeelt de stroming zich rondom opnieuw, hoewel de stroming ongelijkmatig kan blijven. Een efficiëntieverandering in de regeltrap mag daarom niet worden beschouwd als een even grote verandering van het rendement van de volledige turbine.

Waar het efficiëntievoordeel bij deellast vandaan komt

Bij smoorklepregeling met een gemeenschappelijke klep verlaagt een vermindering van de belasting de druk die naar alle nozzles wordt gevoerd. Smoorkleppen werken bij benadering isenthalpisch, maar verhogen de entropie en verminderen het arbeidsvermogen dat voor de turbine beschikbaar is. Bij regeling via nozzle groepen kunnen geselecteerde groepen daarentegen worden gesloten, terwijl de geopende groepen dichter bij de beoogde inlaatcondities blijven.

Dit verschil verklaart waarom gedeeltelijke stoomtoevoer aantrekkelijk kan zijn voor toepassingen met wisselende belasting. Dit betekent niet dat de geopende groepen altijd zonder smoorklep werken. Tijdens het opeenvolgend openen van kleppen kan één groep gedeeltelijk geopend zijn, terwijl andere groepen volledig geopend of gesloten zijn. Drukverliezen in de kleppen, de drukverhouding van de regeltrap en de condities aan de uitlaatzijde veranderen dan tegelijkertijd.

Vergelijk voor een zinvolle beoordeling dezelfde inlaatstoomcondities, uitlaatdruk, snelheid en vermogensgrondslag. Beoordeel de volledige turbine, inclusief relevante mechanische verliezen en het hulpverbruik. Een berekening van de trap op het ontwerppunt kan niet vaststellen welke regelstrategie tijdens een werkelijke bedrijfscyclus minder stoom verbruikt.

Verliezen die het voordeel van minder smoorklepwerking tenietdoen

• Windageverliezen in de inactieve sector: Schoepen die door gebieden zonder stoomtoevoer bewegen, roeren de omringende vloeistof en versnellen deze zonder nuttige arbeid uit de straal te winnen. Het verlies is afhankelijk van de snelheid, vloeistofdichtheid, schoepgeometrie en de inactieve boog.
• Vul- en ledigingsverliezen: In de schoepkanalen ontstaat en neemt de stroming tijdelijk af wanneer ze een actieve sector binnenkomen en verlaten. Deze effecten worden belangrijker wanneer er, in verhouding tot de toevoerboog, veel sectorgrenzen zijn.
• Menging aan de sectorranden: Stralen nabij de toevoergrenzen wisselwerken met vloeistof met een lagere impuls, wat leidt tot niet-uniforme snelheid, invalshoek en dissipatie.

Wanneer de toevoer zeer beperkt is, kunnen parasitaire verliezen een groter deel van het nuttige trapvermogen opslokken. Er bestaat geen universele toevoerfractie waaronder de prestaties onaanvaardbaar worden. De toepasselijke grens is afhankelijk van de trapgeometrie, de bedrijfscondities en de vereisten voor minimale belasting.

De nozzleconfiguratie beïnvloedt zowel de verliezen als de excitatie

Gelijke toevoerfracties garanderen geen gelijke prestaties. Eén aaneengesloten actieve sector en meerdere gescheiden sectoren hebben verschillende aantallen in- en uittredegrenzen. Een verdeling van de toevoer over meer sectoren kan de grensgerelateerde verliezen verhogen en tegelijk de verdeling van de circumferentiële krachten en het frequentiespectrum van de schoepene xcitatie veranderen.

Een klein aantal grote sectoren kan het aantal grenzen verminderen, maar een sterkere stromingsongelijkheid van lage orde veroorzaken. Verdeelde sectoren kunnen de circumferentiële balans verbeteren, maar stellen elke schoep per omwenteling bloot aan meer belastingswisselingen. Geen van beide configuraties is automatisch beter; voor de aerodynamische en structurele beoordelingen moet de werkelijke klepopeningsvolgorde worden gebruikt.

Ook de nozzlesnelheid verandert met de drukverhouding. De verhouding tussen schoep- en straalsnelheid en de inlaatinvalshoek kunnen daardoor afwijken van de ontwerpwaarden wanneer de kleppen in werking zijn. Het handhaven van de druk in een geopende nozzle groep garandeert niet dat de snelheidsdriehoeken binnen het volledige regelbereik optimaal blijven.

Periodieke schoepbelasting is een vermoeiingskwestie, niet alleen een trillingskwestie

Elke bewegende schoep ondervindt een toename van de aerodynamische kracht wanneer deze een toevoersector binnenkomt, en een afname wanneer deze de sector verlaat. De resulterende excitatie bevat harmonischen die verband houden met het toerental en het toevoerpatroon. De breedte en onderlinge afstand van de sectoren en de klepstanden beïnvloeden dit spectrum.

Wanneer een excitatiecomponent de eigenfrequentie van een schoep of schoepgroep benadert, kan de dynamische spanning toenemen. Bij de beoordeling moet rekening worden gehouden met modeshapes, demping, de werking van shrouds of lacing, indien van toepassing, en warme bedrijfscondities. Een Campbell-diagram is nuttig, maar het vaststellen van alleen een frequentiekruising bepaalt niet de spanningsamplitude of de aanvaardbaarheid vanuit vermoeiingsoogpunt.

Lage lagertrillingen bewijzen niet dat de dynamische schoepbelasting laag is. Lokale schoepmodi veroorzaken mogelijk geen sterke respons bij sensoren op het huis of de lagers. Omgekeerd kan een verhoogd totaal trillingsniveau het gevolg zijn van onbalans, uitlijning, lagers of andere oorzaken in plaats van gedeeltelijke stoomtoevoer.

Vraag voor langdurige bedrijfsvoering bij wisselende belasting om bevestiging dat de toegestane toevoercombinaties en relevante overgangen zijn meegenomen in de beoordeling van schoepenexcitatie. Herhaald bedrijf nabij een problematische toestand kan belangrijker zijn dan een korte passage erdoorheen.

Een efficiëntiedip of verandering in trillingen onderzoeken

Wanneer een verschijnsel optreedt rond een overgang tussen nozzle groepen, stel dan eerst vast of het samenhangt met de klepstand of met een andere bedrijfsvariabele. Vergelijk stabiele bedrijfspunten bij gelijke stoomcondities en uitlaatdruk, in plaats van alleen op het vermogen af te gaan.

1. Leg de toevoertoestand vast. Registreer de afzonderlijke klepstanden, de druk in de klepkast of nozzle groepen indien beschikbaar, het toerental, de stoomstroming en het vermogen. Controleer of de werkelijke klepbeweging overeenkomt met de aangestuurde volgorde.
2. Maak onderscheid tussen transiënt en stabiel gedrag. Een korte verstoring tijdens het bewegen van de klep verschilt van aanhoudende verliezen of excitatie nadat de omstandigheden zijn gestabiliseerd.
3. Analyseer de trillingsspectra. Vergelijk de frequentiecomponenten vóór en na de overgang. Breng veranderingen in verband met asordes, het toevoerpatroon en geïdentificeerde modi, en baseer de beoordeling niet alleen op de totale amplitude.
4. Controleer andere mogelijke oorzaken. Lekkage of vastlopen van kleppen, veranderingen in stoomcondities, variaties in uitlaatdruk en meetfouten kunnen lijken op een probleem door gedeeltelijke stoomtoevoer.

Wijzig de klepoverlap of openingsvolgorde niet uitsluitend om een efficiëntiedip te verhelpen. Dergelijke wijzigingen kunnen de excitatie, de stabiliteit van de regeling en de belastingsrespons beïnvloeden. Aanpassingen moeten binnen de door de fabrikant goedgekeurde bedrijfsgrafiek en regelprocedures blijven.

Wat u moet opvragen voordat u een ontwerp voor wisselende belasting accepteert

Een bruikbare technische indiening omvat gegarandeerde prestaties bij representatieve belastingen, de bijbehorende klepcombinaties, de minimale continue belasting en eventuele beperkte bedrijfsgebieden. De indiening moet berekeningen voor de regeltrap onderscheiden van de prestaties van de volledige machine en de aannames voor verliezen door gedeeltelijke stoomtoevoer vermelden.

Voor prestatievergelijkingen moeten ook de meetgrenzen en correctiemethoden worden overeengekomen. Stoomverbruik, asvermogen en elektrisch vermogen zijn niet onderling uitwisselbaar. De inlaatcondities, uitlaatdruk, aftapstromen indien van toepassing en de verwerking van onzekerheden moeten worden vastgelegd voordat voorstellen met elkaar worden vergeleken.

Op installatieniveau kan de beoordeling ook een andere aandrijfmachine omvatten. Het geleverdeGas Turbine-assortiment omvat modellen met opgegeven vermogens van 2 tot 114.5 MW en modelspecifieke brandstofopties. Dit is een vergelijking van afzonderlijke configuraties, geen oplossing voor verliezen door stoomtoevoer naar de stoomtrap: de beschikbaarheid van stoom, de brandstoftoevoer, de warmtevraag en de prestaties bij deellast moeten afzonderlijk worden beoordeeld.

Voor de stoomturbine zelf is doorslaggevend bewijs een onderbouwde bedrijfsgrafiek die vermogen, klepstand, stoomverbruik en toegestane bedrijfscondities met elkaar verbindt. Een gunstig nominaal rendement is onvoldoende wanneer de beoogde toepassing een aanzienlijk deel van de bedrijfsuren op gedeeltelijk toegelaten belasting of nabij overgangen tussen nozzle groepen doorbrengt.