Как работает паровая турбина


Паровые турбины

Паровые турбины - принцип работы

Паровые турбины работают следующим образом: пар, образующийся в паровом котле, под высоким давлением, поступает на лопатки турбины. Турбина совершает обороты и вырабатывает механическую энергию, используемую генератором. Генератор производит электричество.

Электрическая мощность паровых турбин зависит от перепада давления пара на входе и выходе установки. Мощность паровых турбин единичной установки достигает 1000 МВт.

В зависимости от характера теплового процесса паровые турбины подразделяются на три группы: конденсационные, теплофикационные и турбины специального назначения. По типу ступеней турбин они классифицируются как активные и реактивные.

Конденсационные паровые турбины

Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум (отсюда возникло наименование). Конденсационные турбины бывают стационарными и транспортными.

Стационарные турбины изготавливаются на одном валу с генераторами переменного тока. Такие агрегаты называют турбогенераторами. Тепловые электростанции, на которых установлены конденсационные турбины, называются конденсационными электрическими станциями (КЭС). Основной конечный продукт таких электростанций — электроэнергия. Лишь небольшая часть тепловой энергии используется на собственные нужды электростанции и, иногда, для снабжения теплом близлежащего населённого пункта. Обычно это посёлок энергетиков. Доказано, что чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее, и тем ниже стоимость 1 кВт установленной мощности. Поэтому на конденсационных электростанциях устанавливаются турбогенераторы повышенной мощности.

Частота вращения ротора стационарного турбогенератора связана с частотой электрического тока 50 Герц. То есть на двухполюсных генераторах 3000 оборотов в минуту, на четырёхполюсных соответственно 1500 оборотов в минуту. Частота электрического тока вырабатываемой энергии является одним из главных показателей качества отпускаемой электроэнергии. Современные технологии позволяют поддерживать частоту вращения с точностью до трёх оборотов. Резкое падение электрической частоты влечёт за собой отключение от сети и аварийный останов энергоблока, в котором наблюдается подобный сбой.

В зависимости от назначения паровые турбины электростанций могут быть базовыми, несущими постоянную основную нагрузку; пиковыми, кратковременно работающими для покрытия пиков нагрузки; турбинами собственных нужд, обеспечивающими потребность электростанции в электроэнергии. От базовых требуется высокая экономичность на нагрузках, близких к полной (около 80 %), от пиковых — возможность быстрого пуска и включения в работу, от турбин собственных нужд — особая надёжность в работе. Все паровые турбины для электростанций рассчитываются на 100 тыс. ч работы (до капитального ремонта).

 

Схема работы конденсационной турбины: Свежий (острый) пар из котельного агрегата (1) по паропроводу (2) попадает на рабочие лопатки паровой турбины (3). При расширении, кинетическая энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора турбины, который расположен на одном валу (4) с электрическим генератором (5). Отработанный пар из турбины направляется в конденсатор (6), в котором, охладившись до состояния воды путём теплообмена с циркуляционной водой (7) пруда-охладителя, градирни или водохранилища по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса (9). Большая часть полученной энергии используется для генерации электрического тока.

Теплофикационные паровые турбины

Теплофикационные паровые турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. Но основной конечный продукт таких турбин — тепло. Тепловые электростанции, на которых установлены теплофикационные паровые турбины, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). К теплофикационным паровым турбинам относятся турбины с противодавлением, с регулируемым отбором пара, а также с отбором и противодавлением.

У турбин с противодавлением весь отработавший пар используется для технологических целей (варка, сушка, отопление). Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой паровой турбиной, зависит от потребности производства или отопительной системы в греющем паре и меняется вместе с ней. Поэтому турбоагрегат с противодавлением обычно работает параллельно с конденсационной турбиной или электросетью, которые покрывают возникающий дефицит в электроэнергии.

В турбинах с регулируемым отбором часть пара отводится из 1 или 2 промежуточных ступеней, а остальной пар идёт в конденсатор. Давление отбираемого пара поддерживается в заданных пределах системой регулирования. Место отбора (ступень турбины) выбирают в зависимости от нужных параметров пара.

У турбин с отбором и противодавлением часть пара отводится из 1 или 2 промежуточных ступеней, а весь отработавший пар направляется из выпускного патрубка в отопительную систему или к сетевым подогревателям.

Схема работы теплофикационной турбины: Свежий (острый) пар из котельного агрегата (1) по паропроводу (2) направляется на рабочие лопатки цилиндра высокого давления (ЦВД) паровой турбины (3). При расширении, кинетическая энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины, который соединен с валом (4) электрического генератора (5). В процессе расширения пара из цилиндров среднего давления производятся теплофикационные отборы, и из них пар направляется в подогреватели (6) сетевой воды (7). Отработанный пар из последней ступени попадает в конденсатор, где и происходит его конденсация, а затем по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса (9). Большая часть тепла, полученного в котле используется для подогрева сетевой воды.

Паровые турбины специального назначения

Паровые турбины специального назначения обычно работают на технологическом тепле металлургических, машиностроительных, и химических предприятий. К ним относятся турбины мятого (дросселированного) пара, турбины двух давлений и предвключённые (форшальт).

  • Турбины мятого пара используют отработавший пар поршневых машин, паровых молотов и прессов, имеющих давление немного выше атмосферного.
  • Турбины двух давлений работают как на свежем, так и на отработавшем паре паровых механизмов, подводимом в одну из промежуточных ступеней.
  • Предвключённые турбины представляют собой агрегаты с высоким начальным давлением и высоким противодавлением; весь отработавший пар этих турбин направляют в другие с более низким начальным давлением пара. Необходимость в предвключённых турбинах возникает при модернизации электростанций, связанной с установкой паровых котлов более высокого давления, на которое не рассчитаны ранее установленные на электростанции турбоагрегаты.
  • Также к турбинам специального назначения относятся и приводные турбины различных агрегатов, требующих высокой мощности привода. Например, питательные насосы мощных энергоблоков электростанций, нагнетатели и компрессоры газокомпрессорных станций и т. д.

Обычно стационарные паровые турбины имеют нерегулируемые отборы пара из ступеней давления для регенеративного подогрева питательной воды. Паровые турбины специального назначения не строят сериями, как конденсационные и теплофикационные, а в большинстве случаев изготовляют по отдельным заказам.

Паровые турбины - преимущества

  • работа паровых турбин возможна на различных видах топлива: газообразное, жидкое, твердое
  • высокая единичная мощность
  • свободный выбор теплоносителя
  • широкий диапазон мощностей
  • внушительный ресурс паровых турбин

Паровые турбины - недостатки

  • высокая инерционность паровых установок (долгое время пуска и останова)
  • дороговизна паровых турбин
  • низкий объем производимого электричества, в соотношении с объемом тепловой энергии
  • дорогостоящий ремонт паровых турбин
  • снижение экологических показателей, в случае использования тяжелых мазутов и твердого топлива

как горячий пар превращается в электричество / Хабр

Учёные до сих пор бьются над поиском самых эффективных способов по выработке тока — прогресс устремился от гальванических элементов к первым динамо-машинам, паровым, атомным, а теперь солнечным, ветряным и водородным электростанциям. В наше время самым массовым и удобным способом получения электричества остаётся генератор, приводимый в действие паровой турбиной.

Паровые турбины были изобретены задолго до того, как человек понял природу электричества. В этом посте мы упрощённо расскажем об устройстве и работе паровой турбины, а заодно вспомним, как древнегреческий учёный опередил своё время на пятнадцать веков, как произошёл переворот в деле турбиностроения и почему Toshiba считает, что тридцатиметровую турбину надо изготавливать с точностью до 0,005 мм.

Как устроена паровая турбина

Принцип работы паровой турбины относительно прост, а её внутреннее устройство принципиально не менялось уже больше века. Чтобы понять принцип работы турбины, рассмотрим, как работает теплоэлектростанция — место, где ископаемое топливо (газ, уголь, мазут) превращается в электричество.

Сама по себе паровая турбина не работает, для функционирования ей нужен пар. Поэтому электростанция начинается с котла, в котором горит топливо, отдавая жар трубам с дистиллированной водой, пронизывающим котел. В этих тонких трубах вода превращается в пар.


Понятная схема работы ТЭЦ, вырабатывающей и электричество, и тепло для отопления домов. Источник: Мосэнерго

Турбина представляет собой вал (ротор) с радиально расположенными лопатками, словно у большого вентилятора. За каждым таким диском установлен статор — похожий диск с лопатками другой формы, который закреплён не на валу, а на корпусе самой турбины и потому остающийся неподвижным (отсюда и название — статор).

Пару из одного вращающегося диска с лопатками и статора называют ступенью. В одной паровой турбине десятки ступеней — пропустив пар всего через одну ступень тяжёлый вал турбины с массой от 3 до 150 тонн не раскрутить, поэтому ступени последовательно группируются, чтобы извлечь максимум потенциальной энергии пара.

На вход в турбину подаётся пар с очень высокой температурой и под большим давлением. По давлению пара различают турбины низкого (до 1,2 МПа), среднего (до 5 МПа), высокого (до 15 МПа), сверхвысокого (15—22,5 МПа) и сверхкритического (свыше 22,5 МПа) давления. Для сравнения, давление внутри бутылки шампанского составляет порядка 0,63 МПа, в автомобильной шине легковушки — 0,2 МПа.

Чем выше давление, тем выше температура кипения воды, а значит, температура пара. На вход турбины подается пар, перегретый до 550-560 °C! Зачем так много? По мере прохождения сквозь турбину пар расширяется, чтобы сохранять скорость потока, и теряет температуру, поэтому нужно иметь запас. Почему бы не перегреть пар выше? До недавних пор это считалось чрезвычайно сложным и бессмысленным —нагрузка на турбину и котел становилась критической.

Паровые турбины для электростанций традиционно имеют несколько цилиндров с лопатками, в которые подается пар высокого, среднего и низкого давления. Сперва пар проходит через цилиндр высокого давления, раскручивает турбину, а заодно меняет свои параметры на выходе (снижается давление и температура), после чего уходит в цилиндр среднего давления, а оттуда — низкого. Дело в том, что ступени для пара с разными параметрами имеют разные размеры и форму лопаток, чтобы эффективней извлекать энергию пара.

Но есть проблема — при падении температуры до точки насыщения пар начинает насыщаться, а это уменьшает КПД турбины. Для предотвращения этого на электростанциях после цилиндра высокого и перед попаданием в цилиндр низкого давления пар вновь подогревают в котле. Этот процесс называется промежуточным перегревом (промперегрев).

Цилиндров среднего и низкого давления в одной турбине может быть несколько. Пар на них может подаваться как с края цилиндра, проходя все лопатки последовательно, так и по центру, расходясь к краям, что выравнивает нагрузку на вал.

Вращающийся вал турбины соединён с электрогенератором. Чтобы электричество в сети имело необходимую частоту, валы генератора и турбины должны вращаться со строго определённой скоростью — в России ток в сети имеет частоту 50 Гц, а турбины работают на 1500 или 3000 об/мин.

Упрощённо говоря, чем выше потребление электроэнергии, производимой электростанцией, тем сильнее генератор сопротивляется вращению, поэтому на турбину приходится подавать бо́льший поток пара. Регуляторы частоты вращения турбин мгновенно реагируют на изменения нагрузки и управляют потоком пара, чтобы турбина сохраняла постоянные обороты. Если в сети произойдет падение нагрузки, а регулятор не уменьшит объём подаваемого пара, турбина стремительно нарастит обороты и разрушится — в случае такой аварии лопатки легко пробивают корпус турбины, крышу ТЭС и разлетаются на расстояние в несколько километров.

Как появились паровые турбины

Примерно в XVIII веке до нашей эры человечество уже укротило энергию стихии, превратив её в механическую энергию для совершения полезной работы — то были вавилонские ветряные мельницы. К II веку до н. э. в Римской империи появились водяные мельницы, чьи колёса приводились в движение нескончаемым потоком воды рек и ручьёв. И уже в I веке н. э. человек укротил потенциальную энергию водяного пара, с его помощью приведя в движение рукотворную систему.


Эолипил Герона Александрийского — первая и единственная на следующие 15 веков реактивная паровая турбина. Источник: American Mechanical Dictionary / Wikimedia

Греческий математик и механик Герон Александрийский описал причудливый механизм эолипил, представляющий собой закреплённый на оси шар с исходящими из него под углом трубками. Подававшийся в шар из кипящего котла водяной пар с силой выходил из трубок, заставляя шар вращаться. Придуманная Героном машина в те времена казалась бесполезной игрушкой, но на самом деле античный учёный сконструировал первую паровую реактивную турбину, оценить потенциал которой удалось только через пятнадцать веков. Современная реплика эолипила развивает скорость до 1500 оборотов в минуту.

В XVI веке забытое изобретение Герона частично повторил сирийский астроном Такиюддин аш-Шами, только вместо шара в движение приводилось колесо, на которое пар дул прямо из котла. В 1629 году схожую идею предложил итальянский архитектор Джованни Бранка: струя пара вращала лопастное колесо, которое можно было приспособить для механизации лесопилки.


Активная паровая турбина Бранка совершала хоть какую-то полезную работу — «автоматизировала» две ступки.

Несмотря на описание несколькими изобретателями машин, преобразующих энергию пара в работу, до полезной реализации было еще далеко — технологии того времени не позволяли создать паровую турбину с практически применимой мощностью.

Турбинная революция

Шведский изобретатель Густаф Лаваль много лет вынашивал идею создания некоего двигателя, который смог бы вращать ось с огромной скоростью — это требовалось для функционирования сепаратора молока Лаваля. Пока сепаратор работал от «ручного привода»: система с зубчатой передачей превращала 40 оборотов в минуту на рукоятке в 7000 оборотов в сепараторе. В 1883 году Лавалю удалось адаптировать эолипил Герона, снабдив-таки молочный сепаратор двигателем. Идея была хорошая, но вибрации, жуткая дороговизна и неэкономичность паровой турбины заставили изобретателя вернуться к расчетам.



Турбинное колесо Лаваля появилось в 1889 году, но его конструкция дошла до наших дней почти в неизменном виде.

Спустя годы мучительных испытаний Лаваль смог создать активную паровую турбину с одним диском. На диск с лопатками из четырех труб с соплами под давлением подавался пар. Расширяясь и ускоряясь в соплах, пар ударял в лопатки диска и тем самым приводил диск в движение. Впоследствии изобретатель выпустил первые коммерчески доступные турбины с мощностью 3,6 кВт, соединял турбины с динамо-машинами для выработки электричества, а также запатентовал множество новшеств в конструкции турбин, включая такую их неотъемлемую в наше время часть, как конденсатор пара. Несмотря на тяжёлый старт, позже дела у Густафа Лаваля пошли хорошо: оставив свою прошлую компанию по производству сепараторов, он основал акционерное общество и приступил к наращиванию мощности агрегатов.

Параллельно с Лавалем свои исследования в области паровых турбин вёл англичанин cэр Чарлз Парсонс, который смог переосмыслить и удачно дополнить идеи Лаваля. Если первый использовал в своей турбине один диск с лопатками, то Парсонс запатентовал многоступенчатую турбину с несколькими последовательно расположенными дисками, а чуть позже добавил в конструкцию статоры для выравнивания потока.

Турбина Парсонса имела три последовательных цилиндра для пара высокого, среднего и низкого давления с разной геометрией лопаток. Если Лаваль опирался на активные турбины, то Парсонс создал реактивные группы.

В 1889 году Парсонс продал несколько сотен своих турбин для электрификации городов, а еще пять лет спустя было построено опытное судно «Турбиния», развивавшее недостижимую для паровых машин прежде скорость 63 км/ч. К началу XX века паровые турбины стали одним из главных двигателей стремительной электрификации планеты.


Сейчас «Турбиния» выставляется в музее в Ньюкасле. Обратите внимание на количество винтов. Источник: TWAMWIR / Wikimedia

Турбины Toshiba — путь длиной в век

Стремительное развитие

электрифицированных железных дорог

и текстильной промышленности в Японии заставило государство ответить на возросшее электропотребление строительством новых электростанций. Вместе с тем начались работы по проектированию и производству японских паровых турбин, первые из которых были поставлены на нужды страны уже в 1920-х годах. К делу подключилась и Toshiba (в те годы: Tokyo Denki и Shibaura Seisaku-sho).

Первая турбина Toshiba была выпущена в 1927 году, она имела скромную мощность в 23 кВт. Уже через два года все производимые в Японии паровые турбины выходили из фабрик Toshiba, были запущены агрегаты с общей мощностью 7500 кВт. Кстати, и для первой японской геотермальной станции, открытой в 1966 году, паровые турбины также поставляла Toshiba. К 1997 году все турбины Toshiba имели суммарную мощность 100000 МВт, а к 2017 поставки настолько возросли, что эквивалентная мощность составила 200000 МВт.

Такой спрос обусловлен точностью изготовления. Ротор с массой до 150 тонн вращается со скоростью 3600 оборотов в минуту, любой дисбаланс приведёт к вибрациям и аварии. Ротор балансируется с точностью до 1 грамма, а геометрические отклонения не должны превышать 0,01 мм от целевых значений. Оборудование с ЧПУ помогает снизить отклонения при производстве турбины до 0,005 мм — именно такая разница с целевыми параметрами среди сотрудников Toshiba считается хорошим тоном, хотя допустимая безопасная погрешность на порядок больше. Также каждая турбина обязательно проходит стресс-тест при повышенных оборотах — для агрегатов на 3600 оборотов тест предусматривает разгон до 4320 оборотов.


Удачное фото для понимания размеров ступеней низкого давления паровой турбины. Перед вами коллектив лучших мастеров завода Toshiba Keihin Product Operations. Источник: Toshiba

Эффективность паровых турбин

Паровые турбины хороши тем, что при увеличении их размеров значительно растёт вырабатываемая мощность и КПД. Экономически гораздо выгодней установить один или несколько агрегатов на крупную ТЭС, от которой по магистральным сетям распределять электричество на большие расстояния, чем строить местные ТЭС с малыми турбинами, мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт. Дело в том, что при уменьшении габаритов и мощности в разы растёт стоимость турбины в пересчёте на киловатт, а КПД падает вдвое-втрое.

Электрический КПД конденсационных турбин с промперегревом колеблется на уровне 35-40%. КПД современных ТЭС может достигать 45%.

Если сравнить эти показатели с результатами из таблицы, окажется, что паровая турбина — это один из лучших способов для покрытия больших потребностей в электричестве. Дизели — это «домашняя» история, ветряки — затратная и маломощная, ГЭС — очень затратная и привязанная к местности, а водородные топливные элементы, про которые мы уже писали — новый и, скорее, мобильный способ выработки электроэнергии.

Интересные факты


Самая мощная

паровая турбина: такой титул могут по праву носить сразу два изделия — немецкая Siemens SST5-9000 и турбина производства ARABELLE, принадлежащей американской General Electric. Обе конденсационных турбины выдают до 1900 МВт мощности. Реализовать такой потенциал можно только на АЭС.


Рекордная турбина Siemens SST5-9000 с мощностью 1900 МВт. Рекорд, но спрос на такие мощности очень мал, поэтому Toshiba специализируется на агрегатах с вдвое меньшей мощностью. Источник: Siemens

Самая маленькая паровая турбина была создана в России всего пару лет назад инженерами Уральского федерального университета — ПТМ-30 всего полметра в диаметре, она имеет мощность 30 кВт. Малютку можно использовать для локальной выработки электроэнергии при помощи утилизации избыточного пара, остающегося от других процессов, чтобы извлекать из него экономическую выгоду, а не спускать в атмосферу.


Российская ПТМ-30 — самая маленькая в мире паровая турбина для выработки электричества. Источник: УрФУ

Самым неудачным применением паровой турбины стоит считать паротурбовозы — паровозы, в которых пар из котла поступает в турбину, а затем локомотив движется на электродвигателях или за счет механической передачи. Теоретически паровая турбина обеспечивала в разы больший КПД, чем обычный паровоз. На деле оказалось, что свои преимущества, как то высокая скорость и надежность, паротурбовоз проявляет только на скоростях выше 60 км/ч. При меньшей скорости движения турбина потребляет чересчур много пара и топлива. США и европейские страны экспериментировали с паровыми турбинами на локомотивах, но ужасная надежность и сомнительная эффективность сократили жизнь паротурбовозов как класса до 10-20 лет.


Угольный паротурбовоз C&O 500 ломался почти каждую поездку, из-за чего уже спустя год после выпуска был отправлен на металлолом. Источник: Wikimedia

3.2. Основные элементы современных паровых турбин

3.2. Основные элементы современных паровых турбин

Конструкция паровой турбины

Конструктивно современная паровая турбина (рис. 3.4) состоит из одного или нескольких цилиндров, в которых происходит процесс преобразования энергии пара, и ряда устройств, обеспечивающих организацию ее рабочего процесса.

Цилиндр. Основным узлом паровой турбины, в котором внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию парового потока и далее – в механическую энергию ротора, является цилиндр. Он состоит из неподвижного корпуса (статоратурбины из двух частей, разделенных по горизонтальному разъему; направляющих (сопловых) лопаток, лабиринтовых уплотнений, впускного и выхлопного патрубков, опор подшипников и др.) и вращающегося в этом корпусе ротора (вал, диски, рабочие лопатки и др.). Основная задача сопловых лопаток – превратить потенциальную энергию пара, расширяющегося в сопловых решетках с уменьшением давления и одновременным снижением температуры, в кинетическую энергию организованного парового потока и направить его в рабочие лопатки ротора. Основное назначение рабочих лопаток и ротора турбины – преобразовать кинетическую энергию парового потока в механическую энергию вращающегося ротора, которая в свою очередь преобразуется в генераторе в электрическую энергию. Ротор мощной паровой турбины представлен на рисунке 3.5.

Число венцов сопловых лопаток в каждом цилиндре паровой турбины равно числу венцов рабочих лопаток соответствующего ротора. В современных мощных паровых турбинах различают цилиндры низкого, среднего, высокого и сверхвысокого давления (рис. 3.6.). Обычно цилиндром сверхвысокого давления именуется цилиндр, давление пара на входе в который превосходит 30,0 МПа, цилиндром высокого давления – участок турбины, давление пара на входе в который колеблется в пределах 23,5 – 9,0 МПа, цилиндром среднего давления – участок турбины, давление пара на входе в который около 3,0 МПа, цилиндром низкого давления – участок, давление пара на входе в который не превышает 0,2 МПа. В современных мощных турбоагрегатах число цилиндров низкого давления может достигать 4 с целью обеспечения приемлемой по условиям прочности длины рабочих лопаток последних ступеней турбины.

Органы парораспределения. Количество пара, поступающего в цилиндр турбины, ограничивается открытием клапанов, которые вместе с регулирующей ступенью называются органами парораспределения. В практике турбиностроения различают два типа парораспределения – дроссельное и сопловое. Дроссельное парораспределение предусматривает подвод пара после открытия клапана равномерно по всей окружности венца сопловых лопаток. Это означает, что функцию изменения расхода выполняет кольцевая щель между клапаном, который перемещается, и его седлом, которое установлено неподвижно. Процесс изменения расхода в этой конструкции связан с дросселированием. Чем меньше открыт клапан, тем больше потери давления пара от дросселирования и тем меньше его расход на цилиндр.

Рис. 3.4. Внешний вид паровой турбины К-300-240

Рис. 3.5. Ротор паровой турбины мощностью 220 МВт

Сопловое парораспределение предусматривает секционирование направляющих лопаток по окружности на несколько сегментов (групп сопел), к каждому из которых организован отдельный подвод пара, оснащенный своим клапаном, который либо закрыт, либо полностью открыт. При открытом клапане потери давления на нем минимальны, а расход пара пропорционален доле окружности, через которую этот пар поступает в турбину. Таким образом, при сопловом парораспределении процесс дросселирования отсутствует, а потери давления сводятся к минимуму.

В случае высокого и сверхвысокого начального давления в системе паровпуска применяются так называемые разгрузочные устройства, которые предназначены для уменьшения начального перепада давления на клапане и снижения усилия, которое необходимо приложить к клапану при его открытии.

В некоторых случаях дросселирование называют еще качественным регулированием расхода пара на турбину, а сопловое парораспределение – количественным.

Система регулирования. Эта система позволяет осуществлять синхронизацию турбогенератора с сетью, устанавливать заданную нагрузку при работе в общую сеть, обеспечивать перевод турбины на холостой ход при сбросе электрической нагрузки. Принципиальная схема системы непрямого регулирования с центробежным регулятором скорости представлена на рисунке 3.7.

С ростом частоты вращения ротора турбины и муфты регулятора центробежная сила грузов увеличивается, муфта регулятора скорости1поднимается, сжимая пружину регулятора и поворачивая рычаг АВ вокруг точки В. Соединенный с рычагом в точке С золотник2смещается из среднего положения вверх и сообщает верхнюю полость гидравлического сервомотора3с напорной линией4через окноa, а нижнюю – со сливной линией5через окноb. Под воздействием перепада давлений поршень сервомотора перемещается вниз, прикрывая регулирующий клапан6и уменьшая пропуск пара в турбину7, что и обусловит снижение частоты вращения ротора. Одновременно со смещением штока сервомотора рычаг АВ поворачивается относительно точки А, смещая золотник вниз и прекращая подачу жидкости в сервомотор. Золотник возвращается в среднее положение, чем стабилизируется переходный процесс при новой (уменьшенной) частоте вращения ротора. Если увеличивается нагрузка турбины и частота вращения ротора падает, то элементы регулятора смещаются в противоположном рассмотренному направлении и процесс регулирования протекает аналогично, но с увеличением пропуска пара в турбину. Это приводит к росту скорости вращения ротора и восстановлению частоты генерируемого тока.

Системы регулирования паровых турбин, применяемых, например, на АЭС, в качестве рабочей жидкости используют, как правило, турбинное масло. Отличительной особенностью систем регулирования турбин К-300240-2 и К-500-240-2 является применение в системе регулирования вместо турбинного масла конденсата водяного пара. На всех турбинах НПО «Турбоатом», помимо традиционных гидравлических систем регулирования, применяют электрогидравлические системы регулирования (ЭГСР) с более высоким быстродействием.

Валоповорот. В турбоагрегатах традиционно применяется «тихоходный» – несколько оборотов в минуту – валоповорот. Валоповоротное устройство предназначено для медленного вращения ротора при пуске и останове турбины для предотвращения теплового искривления ротора. Одна из конструкций валоповоротного устройства изображена на рис. 3.8. Она включает электродвигатель с червяком, входящим в зацепление с червячным колесом1, расположенным на промежуточном валике. На винтовой шпонке этого валика установлена ведущая цилиндрическая шестерня, которая при включении валоповоротного устройства входит в зацепление с ведомой цилиндрической шестерней, сидящей на валу турбины. После подачи пара в турбину частота вращения ротора растет и ведущая шестерня автоматически выходит из зацепления.

Рис. 3.6. Цилиндры высокого, среднего и низкого давления паровой турбины мощностью 300 МВт (нижняя половина)

Рис. 3.7. Принципиальная схема регулирования с однократным усилением: 1 – муфта регулятора; 2 – золотник; 3 – гидравлический сервомотор; 4 – напорная линия; 5 – сливная линия; 6 – регулирующий клапан; 7 – подача пара в турбину

Подшипники и опоры. Паротурбинные агрегаты расположены, как правило, в машинном зале электростанции горизонтально. Такое расположение обусловливает применение в турбине наряду с опорными также и упорных или опорно-упорных подшипников3(см. рис. 3.8). Для опорных подшипников наиболее распространенным в энергетике является парное их количество – на каждый ротор приходится два опорных подшипника. Для тяжелых роторов (роторов низкого давления быстроходных турбин с числом оборотов 3000 об/мин и всех без исключения роторов «тихоходных» турбин с числом оборотов 1500 об/мин) допустимо применение традиционных для энергетического турбиностроения втулочных подшипников. В таком подшипнике нижняя половина вкладыша выполняет роль несущей поверхности, а верхняя половина – роль демпфера любых возмущений, возникающих при эксплуатации. К таким возмущениям можно отнести остаточную динамическую неуравновешенность ротора, возмущения, возникающие при прохождении критических чисел оборотов, возмущения за счет переменных сил от воздействия парового потока. Сила веса тяжелых роторов, направленная вниз, в состоянии подавить, как правило, все эти возмущения, что обеспечивает спокойный ход турбины. А для относительно легких роторов (роторов высокого и среднего давления) все перечисленные возмущения могут оказаться значительными по сравнению с весом ротора, особенно в паровом потоке высокой плотности. Для подавления этих возмущений разработаны так называемые сегментные подшипники. В этих подшипниках каждый сегмент обладает повышенной по сравнению с втулочным подшипником демпфирующей способностью.

Естественно, конструкция сегментного опорного подшипника, где каждый сегмент снабжается маслом индивидуально, значительно сложнее, чем втулочного. Однако резко возросшая надежность окупает это усложнение.

Что касается упорного подшипника, то его конструкция всесторонне рассмотрена еще Стодолой и за истекшее столетие практически не претерпела каких-либо изменений. Опоры, в которых располагаются упорный и опорные подшипники, изготавливают скользящими с «фикспунктом» в районе упорного подшипника. Это обеспечивает минимизацию осевых зазоров в области максимального давления пара, т.е. в области самых коротких лопаток, что в свою очередь позволяет минимизировать в этой зоне потери от утечек.

Рис. 3.8. Продольный разрез турбины К-50-90: 1 – ротор турбины; 2 – корпус турбины; 3 – опорно-упорный подшипник; 4 – опорный подшипник; 5 – регулирующий клапан; 6 – сопловая коробка; 7 – кулачковый вал; 8 – сервомотор; 9 – главный масляный насос; 10 – регулятор скорости; 11 – следящий золотник; 12 – картер переднего подшипника; 13 – червячное колесо валоповоротного устройства; 14 – соединительная муфта; 15 – выхлопной патрубок турбины; 16 – насадные диски; 17 – рабочие лопатки; 18 – диафрагмы; 19 – обоймы диафрагм; 20 – обоймы переднего концевого уплотнения; 21 – перепускная труба (от стопорного к регулирующему клапану)

Типичная конструкция одноцилиндровой конденсационной турбины мощностью 50 МВт с начальными параметрами пара 8,8 МПа, 535°С представлена на рис. 3.8. В этой турбине применен комбинированный ротор. Первые 19 дисков, работающих в зоне высокой температуры, откованы как одно целое с валом турбины, последние три диска — насадные.

Неподвижную сопловую решетку, закрепленную в сопловых коробках или диафрагмах с соответствующей вращающейся рабочей решеткой, закрепленной на следующем по ходу пара диске, называютступенью турбины. Проточная часть рассматриваемой одноцилиндровой турбины состоит из 22 ступеней, из которых первая называетсярегулирующей. В каждой сопловой решетке поток пара ускоряется и приобретает направление безударного входа в каналы рабочих лопаток. Усилия, развиваемые потоком пара на рабочих лопатках, вращают диски и связанный с ними вал. По мере понижения давления пара при прохождении от первой к последней ступени удельный объем пара растет, что требует увеличения проходных сечений сопловых и рабочих решеток и, соответственно, высоты лопаток и среднего диаметра ступеней.

К переднему торцу ротора прикреплен приставной конец вала, на котором установлены бойки предохранительных выключателей (датчики автомата безопасности), воздействующие на стопорный и регулирующие клапаны и прекращающие доступ пара в турбину при превышении частоты вращения ротора на 10–12% по сравнению с расчетной.

Статор турбины состоит из корпуса, в который вварены сопловые коробки, соединенные с помощью сварки с клапанными коробками, установлены обоймы концевых уплотнений, обоймы диафрагм, сами диафрагмы и их уплотнения. Корпус этой турбины, кроме обычного горизонтального разъема, имеет два вертикальных разъема, разделяющих его на переднюю часть, среднюю часть и выходной патрубок. Передняя часть корпуса выполнена литой, средняя часть корпуса и выходной патрубок сделаны сварными.

В переднем картере расположен опорноупорный подшипник, в заднем картере – опорные подшипники роторов турбины и генератора. Передний картер установлен на фундаментной плите и при тепловом расширении корпуса турбины может свободно перемещаться по этой плите. Задний картер выполнен за одно целое с выхлопным патрубком турбины, который при тепловых расширениях остается неподвижным благодаря его фиксации пересечением поперечной и продольной шпонок, образующих так называемыйфикспункттурбины, или мертвую точку. В заднем картере турбины расположено валоповоротное устройство.

В турбине К-50-90 применена сопловая система парораспределения, т.е. количественное регулирование расхода пара. Устройство автоматического регулирования турбины состоит из четырех регулирующих клапанов, распределительного кулачкового вала, соединенного зубчатой рейкой с сервомотором. Сервомотор получает импульс от регулятора скорости и регулирует положение клапанов. Профили кулачков выполнены так, чтобы регулирующие клапаны открывались поочередно один за другим. Последовательное открытие или закрытие клапанов исключает дросселирование пара, проходящего через полностью открытые клапаны при пониженных нагрузках турбины.

Конденсатор и вакуумная система.

Подавляющее большинство турбин, используемых в мировой энергетике для производства электрической энергии, являются конденсационными. Это означает, что процесс расширения рабочего тела (водяного пара) продолжается до давлений, значительно меньших, чем атмосферное. В результате такого расширения дополнительно выработанная энергия может составлять несколько десятков процентов от суммарной выработки.

Конденсатор – теплообменный аппарат, предназначенный для превращения отработавшего в турбине пара в жидкое состояние (конденсат). Конденсация пара происходит при соприкосновении его с поверхностью тела, имеющего более низкую температуру, чем температура насыщения пара при данном давлении в конденсаторе. Конденсация пара сопровождается выделением теплоты, затраченной ранее на испарение жидкости, которая отводится при помощи охлаждающей среды. В зависимости от вида охлаждающей среды конденсаторы разделяются наводяныеивоздушные. Современные паротурбинные установки снабжены, как правило, водяными конденсаторами. Воздушные конденсаторы имеют по сравнению с водяными более сложную конструкцию и не получили в настоящее время широкого распространения.

Рис. 3.9. Схема двухходового поверхностного конденсатора: 1 – корпус конденсатора; 2,3 – крышки водяных камер; 4 – трубная доска; 5 – конденсаторные трубки; 6 – приемный паровой патрубок; 7 – конденсатосборник; 8 – патрубок отсоса паровоздушной смеси; 9 – воздухоохладитель; 10 – паронаправляющий щит; 11 – входной патрубок; 12 – выходной патрубок для охлаждающей воды; 13 – разделительная перегородка; 14 – паровое пространство конденсатора; 15,16,17 – входная, поворотная и выходная камеры охлаждающей воды; А – вход отработавшего пара; Б – отсос паровоздушной смесии; В, Г – вход и выход охлаждающей воды; Д – отвод конденсата

Конденсационная установка паровой турбины состоит из собственно конденсатора и дополнительных устройств, обеспечивающих его работу. Подача охлаждающей воды в конденсатор осуществляется циркуляционным насосом. Конденсатные насосы служат для откачки из нижней части конденсатора конденсата и подачи его в систему регенеративного подогрева питательной воды. Воздухоотсасывающие устройства предназначены для удаления воздуха, поступающего в турбину и конденсатор вместе с паром, а также через неплотности фланцевых соединений, концевые уплотнения и другие места.

Схема простейшего поверхностного конденсатора водяного типа приведена на рис. 3.9.

Он состоит из корпуса, торцевые стороны которого закрыты трубными досками с конденсаторными трубками, выходящими своими концами в водяные камеры. Камеры разделяются перегородкой, которая делит все конденсаторные трубки на две секции, образующие так называемые «ходы» воды (в данном случае – два хода). Вода поступает в водяную камеру через патрубок и проходит по трубкам, расположенным ниже перегородки. В поворотной камере вода переходит во вторую секцию трубок, расположенную по высоте выше перегородки. По трубкам этой секции вода идет в обратном направлении, совершая второй «ход», попадает в камеру и через выходной патрубок направляется на слив.

Пар, поступающий из турбины в паровое пространство, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая вода. За счет резкого уменьшения удельного объема пара в конденсаторе создается низкое давление (вакуум). Чем ниже температура и больше расход охлаждающей среды, тем более глубокий вакуум можно получить в конденсаторе. Образующийся конденсат стекает в нижнюю часть корпуса конденсатора, а затем в конденсатосборник.

Удаление воздуха (точнее, паровоздушной смеси) из конденсатора производится воздухоотсасывающим устройством через патрубок8. В целях уменьшения объема отсасываемой паровоздушной смеси ее охлаждают в специально выделенном с помощью перегородки отсеке конденсатора – воздухоохладителе.

Для отсоса воздуха из воздухоохладителя устанавливается трехступенчатый пароструйный эжектор – основной. Помимо основного эжектора, который постоянно находится в эксплуатации, в турбоустановке предусмотрены эжектор пусковой конденсатора (водоструйный) и эжектор пусковой циркуляционной системы. Эжектор пусковой конденсатора предназначен для быстрого углубления вакуума при пуске турбоустановки. Эжектор пусковой циркуляционной системы служит для отсоса паровоздушной смеси из циркуляционной системы конденсатора. Конденсатор турбоустановки снабжен также двумя конденсатосборниками, из которых образующийся конденсат непрерывно откачивается конденсатными насосами.

На переходном патрубке конденсатора размещены приемно-сбросные устройства, цель которых – обеспечить сброс пара из котла в конденсатор в обход турбины при внезапном полном сбросе нагрузки или в пусковых режимах. Расходы сбрасываемого пара могут достигать 60% полного расхода пара на турбину. Конструкция приемносбросного устройства предусматривает, помимо снижения давления, снижение температуры сбрасываемого в конденсатор пара с соответствующим ее регулированием. Она должна поддерживаться на 10–20°С выше температуры насыщения при данном давлении в конденсаторе.

Промежуточный перегрев и регенерация в турбоустановках. В теплоэнергетической установке с промежуточным перегревом пар после расширения в цилиндре высокого давления (ЦВД) турбины направляется в котел для вторичного перегрева, где температура его повышается практически до того же уровня, что и перед ЦВД. После промежуточного перегрева пар направляется в цилиндр низкого давления, где расширяется до давления в конденсаторерк.

Экономичность идеального теплового цикла с промежуточным перегревом зависит от параметров пара, отводимого на промежуточный перегрев. Оптимальную температуру параТ1опт, при которой он должен отводиться на промежуточный перегрев, можно ориентировочно оценить как 1,02–1,04 от температуры питательной воды. Давление пара перед промежуточным перегревом обычно выбирают равным 0,15—0,3 давления свежего пара. В результате промперегрева общая экономичность цикла возрастет. При этом благодаря уменьшению влажности пара в последних ступенях турбины низкого давления возрастут относительные внутренние к.п.д. этих ступеней, а следовательно, увеличится и к.п.д. всей турбины. Потеря давленияΔрппв тракте промежуточного перегрева (в паропроводе от турбины к котлу, перегревателе и паропроводе от котла к турбине) снижает эффект от применения промперегрева пара и поэтому допускается не более 10% потери абсолютного давления в промежуточном перегревателе.

Система регенерации в турбоустановках предполагает подогрев конденсата, образовавшегося в конденсаторе, паром, который отобран из проточной части турбины. Для этого основной поток конденсата пропускают через подогреватели, в трубную систему которых поступает конденсат, а в корпус подается пар из отборов турбины. Для подогрева основного конденсата применяют подогреватели низкого давления (ПНД), подогреватели высокого давления (ПВД) и между ними – деаэратор (Д). Деаэратор предназначен для удаления из основного конденсата остатков воздуха, растворенного в конденсате.

Идея регенерации в ПТУ возникла в связи с потребностью снижения потерь теплоты в конденсаторе. Известно, что потери теплоты с охлаждающей водой в конденсаторе турбины прямо пропорциональны количеству отработавшего пара, поступающего в конденсатор. Расход пара в конденсатор можно значительно уменьшить (на 30–40%) путем отбора его для подогрева питательной воды за ступенями турбины после того, как он произвел работу в предшествующих ступенях. Такой процесс называют регенеративным подогревом питательной воды. Регенеративный цикл по сравнению с обычным имеет более высокую среднюю температуру подвода теплоты при неизменной температуре отвода и обладает поэтому более высоким термическим к.п.д. Повышение экономичности в цикле с регенерацией пропорционально мощности, вырабатываемой на тепловом потреблении, т. е. на базе теплоты, переданной питательной воде в системе регенерации. Путем регенеративного подогрева температура питательной воды могла бы быть повышена до температуры, близкой к температуре насыщения, отвечающей давлению свежего пара. Однако при этом сильно возросли бы потери теплоты с уходящими газами котла. Поэтому международные нормы типоразмеров паровых турбин рекомендуют выбирать температуру питательной воды на входе в котел равной 0,65–0,75 температуры насыщения, отвечающей давлению в котле. В соответствии с этим при сверхкритических параметрах пара, в частности при начальном давлении егор0=23,5 МПа, температура питательной воды принимается равной 265–275°С.

Рис. 3.10. Тепловая схема турбинной установки с использованием утечек пара концевых уплотнений и уплотнений штоков клапанов турбины в системе регенерации: Т – турбина; Г – генератор; К – конденсатор; КН – конденсатный насос; ЭЖ – основной эжектор; ОЭ – охладитель основного эжектора; ЭУ – эжектор уплотнений; ОЭУ – охладитель пара эжектора отсоса уплотнений; СП – сальниковый подогреватель; П1–П4 – подогреватели; ОК – охладитель конденсата; Д – деаэратор; ПН – питательный насос

Регенерация положительно влияет на относительный внутренний к.п.д. первых ступеней благодаря повышенному расходу пара через ЦВД и соответствующему увеличению высоты лопаток. Объемный пропуск пара через последние ступени турбины при регенерации уменьшается, что снижает потери с выходной скоростью в последних ступенях турбины.

В современных паротурбинных установках средней и большой мощности в целях повышения их экономичности применяют широко развитую систему регенерации с использованием пара концевых лабиринтовых уплотнений, уплотнений штоков регулирующих клапанов турбины и др. (рис.3.10).

Свежий пар из котла поступает в турбину по главному паропроводу с параметрамир0,t0. После расширения в проточной части турбины до давленияркон направляется в конденсатор. Для поддержания глубокого вакуума из парового пространства конденсатора основным эжектором (ЭЖ) отсасывается паровоздушная смесь. Конденсат отработавшего пара стекает в конденсатосборник, затем конденсатными насосами (КН) подается через охладитель эжектора (ОЭ), охладитель пара эжектора отсоса уплотнений (ОЭУ), сальниковый подогреватель (СП) и регенеративные подогреватели низкого давления П1, П2 в деаэратор Д. Деаэратор предназначен для удаления растворенных в конденсате агрессивных газов (О2и СО2), вызывающих коррозию металлических поверхностей. Кислород и свободная углекислота попадают в конденсат из-за присосов воздуха через неплотности вакуумной системы турбинной установки и с добавочной водой. В деаэраторе агрессивные газы удаляются при нагревании конденсата и добавочной воды паром до температуры насыщения греющего пара. В современных паротурбинных установках устанавливают деаэраторы повышенного давления 0,6—0,7 МПа с температурой насыщения 158–165°С. Конденсат пара на участке от конденсатора до деаэратора называют конденсатом, а на участке от деаэратора до котла – питательной водой.

Питательная вода из деаэратора забирается питательным насосом (ПН) и под высоким давлением (на блоках со сверхкритическими и суперсверхкритическими параметрами пара до 35 МПа) подается через подогреватели высокого давления ПЗ, П4 в котел.

Пар концевых лабиринтовых уплотнений турбины отсасывается из крайних камер уплотнений, где поддерживается давление 95—97 кПа, специальным эжектором и направляется в охладитель эжектора отсоса, через который прокачивается основной конденсат. Часть пара повышенного давления из концевых лабиринтовых уплотнений направляется в первый и третий регенеративные отборы. С целью предотвращения присоса воздуха в вакуумную систему через концевые уплотнения турбины в каждой предпоследней камере концевых уплотнений поддерживается небольшое избыточное (110—120 кПа) давление с помощью специального регулятора, установленного на подводе уплотняющего пара к этой камере из деаэратора.

Питательная установка. Питательная установка турбоагрегата состоит из главного питательного насоса с турбинным приводом, пускорезервного питательного

насоса с электроприводом и бустерных насосов с электроприводом. Питательная установка предназначена для подачи питательной воды из деаэратора через подогреватели высокого давления в котел. Насос включается в работу при нагрузке блока 50–60% и рассчитан на работу в диапазоне 30–100%. Пускорезервный питательный насос ПЭН приводится во вращение асинхронным электродвигателем.

Сборка паровой турбины на испытательном стенде

Паровая турбина — урок. Физика, 8 класс.

Паровая турбина — тепловой двигатель, который преобразует энергию пара в механическую энергию (рис. \(1\)).

 

Рис. \(1\). Паровая турбина

 

На рисунке \(2\) схематически изображена паровая турбина.

  1. Лопасти, на которые поступает давление струй пара и передаётся на турбину.
  2. Вал — ось, передающая вращение.
  3. Диск для крепления лопастей и передачи вращения.

 

 

Рис. \(2\). Строение паровой турбины

 

В современных турбинах используют несколько дисков, насаженных на общий вал (рис. \(2\)). Пар через сопло направляется на лопасти турбины, приводя в движение всю систему. Энергия пара переходит в механическую энергию турбины.

 

Для применения паровых турбин нужно большое количество воды, горячий пар и изоляция для безопасности человека. Турбины устанавливают на теплоэлектростанциях, атомных электростанциях.

Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) — тепловая электростанция, на которой установлены паровые турбины (рис. \(3\)).

 

 

Рис. \(3\). Теплоэлектроцентраль

 

Также паровые турбины применяются на кораблях и суднах (рис. \(4\)).

 

 

Рис. \(4\). «Муромец»

 

На сухопутном и воздушном транспорте применение паровых турбин невозможно, т.к. необходимо использовать большое количество воды.

Источники:

Рис. 1. By Christine und David Schmitt, 2021-07-27, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16157413.

Рис. 2. By Hannes Grobe (talk) - Own work, 2021-07-27, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8024756.

Рис. 3. Автор: ssr - собственная работа, 2021-07-27, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1133572.

Рис. 4. Автор: Mil.ru, 2021-07-27, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=54563469.

как горячий пар превращается в электричество

Разберемся с самым массовым и удобным способом получения электричества с помощью генератора, приводимого в действие паровой турбиной. 

Учёные до сих пор бьются над поиском самых эффективных способов по выработке тока — прогресс устремился от гальванических элементов к первым динамо-машинам, паровым, атомным, а теперь солнечным, ветряным и водородным электростанциям. В наше время самым массовым и удобным способом получения электричества остаётся генератор, приводимый в действие паровой турбиной. 

Как получается электричество?

  • Как устроена паровая турбина
  • Как появились паровые турбины
  • Турбинная революция
  • Турбины Toshiba — путь длиной в век
  • Эффективность паровых турбин
  • Интересные факты

Паровые турбины были изобретены задолго до того, как человек понял природу электричества. В этом посте мы упрощённо расскажем об устройстве и работе паровой турбины, а заодно вспомним, как древнегреческий учёный опередил своё время на пятнадцать веков, как произошёл переворот в деле турбиностроения и почему Toshiba считает, что тридцатиметровую турбину надо изготавливать с точностью до 0,005 мм. 


Как устроена паровая турбина

Принцип работы паровой турбины относительно прост, а её внутреннее устройство принципиально не менялось уже больше века. Чтобы понять принцип работы турбины, рассмотрим, как работает теплоэлектростанция — место, где ископаемое топливо (газ, уголь, мазут) превращается в электричество. 

Сама по себе паровая турбина не работает, для функционирования ей нужен пар. Поэтому электростанция начинается с котла, в котором горит топливо, отдавая жар трубам с дистиллированной водой, пронизывающим котел. В этих тонких трубах вода превращается в пар.


Понятная схема работы ТЭЦ, вырабатывающей и электричество, и тепло для отопления 

Турбина представляет собой вал (ротор) с радиально расположенными лопатками, словно у большого вентилятора. За каждым таким диском установлен статор — похожий диск с лопатками другой формы, который закреплён не на валу, а на корпусе самой турбины и потому остающийся неподвижным (отсюда и название — статор). 

Пару из одного вращающегося диска с лопатками и статора называют ступенью. В одной паровой турбине десятки ступеней — пропустив пар всего через одну ступень тяжёлый вал турбины с массой от 3 до 150 тонн не раскрутить, поэтому ступени последовательно группируются, чтобы извлечь максимум потенциальной энергии пара.

На вход в турбину подаётся пар с очень высокой температурой и под большим давлением. По давлению пара различают турбины низкого (до 1,2 МПа), среднего (до 5 МПа), высокого (до 15 МПа), сверхвысокого (15—22,5 МПа) и сверхкритического (свыше 22,5 МПа) давления. Для сравнения, давление внутри бутылки шампанского составляет порядка 0,63 МПа, в автомобильной шине легковушки — 0,2 МПа. 

Чем выше давление, тем выше температура кипения воды, а значит, температура пара. На вход турбины подается пар, перегретый до 550-560 °C! Зачем так много? По мере прохождения сквозь турбину пар расширяется, чтобы сохранять скорость потока, и теряет температуру, поэтому нужно иметь запас. Почему бы не перегреть пар выше? До недавних пор это считалось чрезвычайно сложным и бессмысленным —нагрузка на турбину и котел становилась критической.

Паровые турбины для электростанций традиционно имеют несколько цилиндров с лопатками, в которые подается пар высокого, среднего и низкого давления. Сперва пар проходит через цилиндр высокого давления, раскручивает турбину, а заодно меняет свои параметры на выходе (снижается давление и температура), после чего уходит в цилиндр среднего давления, а оттуда — низкого. Дело в том, что ступени для пара с разными параметрами имеют разные размеры и форму лопаток, чтобы эффективней извлекать энергию пара.

Но есть проблема — при падении температуры до точки насыщения пар начинает насыщаться, а это уменьшает КПД турбины. Для предотвращения этого на электростанциях после цилиндра высокого и перед попаданием в цилиндр низкого давления пар вновь подогревают в котле. Этот процесс называется промежуточным перегревом (промперегрев). 

Цилиндров среднего и низкого давления в одной турбине может быть несколько. Пар на них может подаваться как с края цилиндра, проходя все лопатки последовательно, так и по центру, расходясь к краям, что выравнивает нагрузку на вал.

Вращающийся вал турбины соединён с электрогенератором. Чтобы электричество в сети имело необходимую частоту, валы генератора и турбины должны вращаться со строго определённой скоростью — в России ток в сети имеет частоту 50 Гц, а турбины работают на 1500 или 3000 об/мин.

Упрощённо говоря, чем выше потребление электроэнергии, производимой электростанцией, тем сильнее генератор сопротивляется вращению, поэтому на турбину приходится подавать бо́льший поток пара. Регуляторы частоты вращения турбин мгновенно реагируют на изменения нагрузки и управляют потоком пара, чтобы турбина сохраняла постоянные обороты.

Если в сети произойдет падение нагрузки, а регулятор не уменьшит объём подаваемого пара, турбина стремительно нарастит обороты и разрушится — в случае такой аварии лопатки легко пробивают корпус турбины, крышу ТЭС и разлетаются на расстояние в несколько километров.

Как появились паровые турбины

Примерно в XVIII веке до нашей эры человечество уже укротило энергию стихии, превратив её в механическую энергию для совершения полезной работы — то были вавилонские ветряные мельницы. К II веку до н. э. в Римской империи появились водяные мельницы, чьи колёса приводились в движение нескончаемым потоком воды рек и ручьёв. И уже в I веке н. э. человек укротил потенциальную энергию водяного пара, с его помощью приведя в движение рукотворную систему.


Эолипил Герона Александрийского — первая и единственная на следующие 15 веков реактивная паровая турбина

Греческий математик и механик Герон Александрийский описал причудливый механизм эолипил, представляющий собой закреплённый на оси шар с исходящими из него под углом трубками. Подававшийся в шар из кипящего котла водяной пар с силой выходил из трубок, заставляя шар вращаться.

Придуманная Героном машина в те времена казалась бесполезной игрушкой, но на самом деле античный учёный сконструировал первую паровую реактивную турбину, оценить потенциал которой удалось только через пятнадцать веков. Современная реплика эолипила развивает скорость до 1500 оборотов в минуту.

В XVI веке забытое изобретение Герона частично повторил сирийский астроном Такиюддин аш-Шами, только вместо шара в движение приводилось колесо, на которое пар дул прямо из котла. В 1629 году схожую идею предложил итальянский архитектор Джованни Бранка: струя пара вращала лопастное колесо, которое можно было приспособить для механизации лесопилки. 


Активная паровая турбина Бранка совершала хоть какую-то полезную работу — «автоматизировала» две ступки

Несмотря на описание несколькими изобретателями машин, преобразующих энергию пара в работу, до полезной реализации было еще далеко — технологии того времени не позволяли создать паровую турбину с практически применимой мощностью.

Турбинная революция

Шведский изобретатель Густаф Лаваль много лет вынашивал идею создания некоего двигателя, который смог бы вращать ось с огромной скоростью — это требовалось для функционирования сепаратора молока Лаваля. Пока сепаратор работал от «ручного привода»: система с зубчатой передачей превращала 40 оборотов в минуту на рукоятке в 7000 оборотов в сепараторе.

В 1883 году Лавалю удалось адаптировать эолипил Герона, снабдив-таки молочный сепаратор двигателем. Идея была хорошая, но вибрации, жуткая дороговизна и неэкономичность паровой турбины заставили изобретателя вернуться к расчетам.

Турбинное колесо Лаваля появилось в 1889 году, но его конструкция дошла до наших дней почти в неизменном виде

Спустя годы мучительных испытаний Лаваль смог создать активную паровую турбину с одним диском. На диск с лопатками из четырех труб с соплами под давлением подавался пар. Расширяясь и ускоряясь в соплах, пар ударял в лопатки диска и тем самым приводил диск в движение.

Впоследствии изобретатель выпустил первые коммерчески доступные турбины с мощностью 3,6 кВт, соединял турбины с динамо-машинами для выработки электричества, а также запатентовал множество новшеств в конструкции турбин, включая такую их неотъемлемую в наше время часть, как конденсатор пара. Несмотря на тяжёлый старт, позже дела у Густафа Лаваля пошли хорошо: оставив свою прошлую компанию по производству сепараторов, он основал акционерное общество и приступил к наращиванию мощности агрегатов.

Параллельно с Лавалем свои исследования в области паровых турбин вёл англичанин cэр Чарлз Парсонс, который смог переосмыслить и удачно дополнить идеи Лаваля. Если первый использовал в своей турбине один диск с лопатками, то Парсонс запатентовал многоступенчатую турбину с несколькими последовательно расположенными дисками, а чуть позже добавил в конструкцию статоры для выравнивания потока. 

Турбина Парсонса имела три последовательных цилиндра для пара высокого, среднего и низкого давления с разной геометрией лопаток. Если Лаваль опирался на активные турбины, то Парсонс создал реактивные группы. 

В 1889 году Парсонс продал несколько сотен своих турбин для электрификации городов, а еще пять лет спустя было построено опытное судно «Турбиния», развивавшее недостижимую для паровых машин прежде скорость 63 км/ч. К началу XX века паровые турбины стали одним из главных двигателей стремительной электрификации планеты.


Сейчас «Турбиния» выставляется в музее в Ньюкасле. Обратите внимание на количество винтов

Турбины Toshiba — путь длиной в век

Стремительное развитие электрифицированных железных дорог и текстильной промышленности в Японии заставило государство ответить на возросшее электропотребление строительством новых электростанций. Вместе с тем начались работы по проектированию и производству японских паровых турбин, первые из которых были поставлены на нужды страны уже в 1920-х годах. К делу подключилась и Toshiba (в те годы: Tokyo Denki и Shibaura Seisaku-sho).

Первая турбина Toshiba была выпущена в 1927 году, она имела скромную мощность в 23 кВт. Уже через два года все производимые в Японии паровые турбины выходили из фабрик Toshiba, были запущены агрегаты с общей мощностью 7500 кВт. Кстати, и для первой японской геотермальной станции, открытой в 1966 году, паровые турбины также поставляла Toshiba. К 1997 году все турбины Toshiba имели суммарную мощность 100000 МВт, а к 2017 поставки настолько возросли, что эквивалентная мощность составила 200000 МВт.

Такой спрос обусловлен точностью изготовления. Ротор с массой до 150 тонн вращается со скоростью 3600 оборотов в минуту, любой дисбаланс приведёт к вибрациям и аварии. Ротор балансируется с точностью до 1 грамма, а геометрические отклонения не должны превышать 0,01 мм от целевых значений.

Оборудование с ЧПУ помогает снизить отклонения при производстве турбины до 0,005 мм — именно такая разница с целевыми параметрами среди сотрудников Toshiba считается хорошим тоном, хотя допустимая безопасная погрешность на порядок больше. Также каждая турбина обязательно проходит стресс-тест при повышенных оборотах — для агрегатов на 3600 оборотов тест предусматривает разгон до 4320 оборотов. 


Удачное фото для понимания размеров ступеней низкого давления паровой турбины. Перед вами коллектив лучших мастеров завода Toshiba Keihin Product Operations

Эффективность паровых турбин

Паровые турбины хороши тем, что при увеличении их размеров значительно растёт вырабатываемая мощность и КПД. Экономически гораздо выгодней установить один или несколько агрегатов на крупную ТЭС, от которой по магистральным сетям распределять электричество на большие расстояния, чем строить местные ТЭС с малыми турбинами, мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт. Дело в том, что при уменьшении габаритов и мощности в разы растёт стоимость турбины в пересчёте на киловатт, а КПД падает вдвое-втрое. 

Электрический КПД конденсационных турбин с промперегревом колеблется на уровне 35-40%. КПД современных ТЭС может достигать 45%. 

Если сравнить эти показатели с результатами из таблицы, окажется, что паровая турбина — это один из лучших способов для покрытия больших потребностей в электричестве. Дизели — это «домашняя» история, ветряки — затратная и маломощная, ГЭС — очень затратная и привязанная к местности, а водородные топливные элементы, про которые мы уже писали — новый и, скорее, мобильный способ выработки электроэнергии.

Интересные факты

Самая мощная паровая турбина: такой титул могут по праву носить сразу два изделия — немецкая Siemens SST5-9000 и турбина производства ARABELLE, принадлежащей американской General Electric. Обе конденсационных турбины выдают до 1900 МВт мощности. Реализовать такой потенциал можно только на АЭС. 


Рекордная турбина Siemens SST5-9000 с мощностью 1900 МВт. Рекорд, но спрос на такие мощности очень мал, поэтому Toshiba специализируется на агрегатах с вдвое меньшей мощностью

Самая маленькая паровая турбина была создана в России всего пару лет назад инженерами Уральского федерального университета — ПТМ-30 всего полметра в диаметре, она имеет мощность 30 кВт. Малютку можно использовать для локальной выработки электроэнергии при помощи утилизации избыточного пара, остающегося от других процессов, чтобы извлекать из него экономическую выгоду, а не спускать в атмосферу. 

 
Российская ПТМ-30 — самая маленькая в мире паровая турбина для выработки электричества

Самым неудачным применением паровой турбины стоит считать паротурбовозы — паровозы, в которых пар из котла поступает в турбину, а затем локомотив движется на электродвигателях или за счет механической передачи. Теоретически паровая турбина обеспечивала в разы больший КПД, чем обычный паровоз. На деле оказалось, что свои преимущества, как то высокая скорость и надежность, паротурбовоз проявляет только на скоростях выше 60 км/ч.

При меньшей скорости движения турбина потребляет чересчур много пара и топлива. США и европейские страны экспериментировали с паровыми турбинами на локомотивах, но ужасная надежность и сомнительная эффективность сократили жизнь паротурбовозов как класса до 10-20 лет. опубликовано econet.ru  

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet

Турбины. Паровые турбины

Одним из важнейших этапов в проектировании объектов промышленности является детальный расчет оборудования. Данный процесс отличается высокой трудоемкостью и требует проведения значительного количества вычислений. Также для проведения правильного расчета необходимо использовать справочные данные и данные, которые были получены опытным путем при проведении экспериментов. В ходе расчета выясняются и уточняются все параметры, необходимые для осуществления технологического процесса.

Задача расчета состоит в правильном определении оптимального варианта турбинного агрегата, который соответствует технологическим параметрам процесса и обладает наибольшей экономичностью. Расчет турбины ведется на основании заданных условий пара на входе и выходе из нее.

При расчете турбин наиболее важную позицию занимает тепловой расчет, в ходе которого определяются такие параметры как: общий теплоперепад, расход пара, КПД, мощность установки и т.д. Тепловой расчет начинают с построения процесса расширения пара на I-S диаграмме (диаграмма состояния воды и водяного пара) для определения начальных и конечных параметров процесса. С помощью полученных графическим методом данных производят вычисление эффективности, экономичности и конструктивных показателей турбины.

Для понимания принципов расчета паровых турбин ниже будут приведены основные расчетные зависимости для наиболее простого варианта турбины – одноступенчатой активного действия. В турбине данного типа пар единожды будет подвержен адиабатическому расширению. Зная теплосодержание (энтальпию) пара на входе в турбину и теплосодержание пара после прохождения сопел, найдем общий теплоперепад:

Hоб = i0 - iр

где:

Hоб – общий теплоперепад, кДж/кг
i0 – энтальпия пара на входе в турбину, кДж/кг
iр – энтальпия пара посте адиабатического расширения в соплах, кДж/кг

Далее, если известен расход этого пара, то становится возможным нахождение мощности турбины. Однако важно отметить, что это полная мощность, в которой не учитываются потери:

Nт = (G·Hоб)/3600

где:

Nт – общая мощность турбины, кВт
Hоб – общий теплоперепад, кДж/кг
G – расход пара, кг/час

Поскольку процесс совершения работы на лопатках совершается не в полном объеме, как и не происходит полной передачи энергии к вращающемуся валу, то эффективная мощность турбины оказывается меньше её полного значения:

Nэф = (G·Hоб)/3600·ηот

где:

Nэф – эффективная мощность турбины, кВт
Hоб – общий теплоперепад, кДж/кг
G – расход пара, кг/час
ηот – относительный эффективный КПД турбины

Если паровая турбина используется для выработки электрической энергии, то вводится характеристика – электрическая мощность, отражающая количество работы, идущей непосредственно на выработку электроэнергии. Она связана с эффективной мощностью через следующее уравнение:

Nэл = Nэф·ηэг·ηр

Где:

Nэл – электрическая мощность на клеммах генератора, кВт
Nэф – эффективная мощность турбины, кВт
ηэг –КПД электрогенератора
ηр –КПД понижающего редуктора (ηрберется равным 1 если вал турбины напрямую соединен с валом генератора)

Если из уравнения для эффективной мощности турбины Nэф выразить переменную расхода пара G, то получится расчетная формула для рассмотренной величины. С помощью данной формулы можно оценивать необходимый расчет пара для обеспечения выработки предварительно заданной мощности.

G = (Nэф·3600)/(ηт·Hоб)

Если проделать операцию, аналогичную описанной выше, то получится уравнение, с помощью которого становится возможной оценка необходимого количества пара уже для создания предварительно заданной мощности на клеммах электрогенератора:

G = (Nэф·3600)/(Hоб·ηот·ηэг·ηр)

Важным параметром в турбине является угол наклона лопатки к плоскости вращения диска, несущего эти лопатки. Эта величина находится в зависимости от окружной скорости лопаток и скорости потока пара, падающего на лопатки, и выражается следующим уравнением:

u/c = cos(⁡α)/2

где:

u – окружная скорость лопаток, м/с
c – скорость потока пара, м/с
α – угол наклона лопаток а оси несущего их диска

Максимальное использование энергии пара было бы при угле α=0, но добиться такого значения практически невозможно, поэтому данный параметр обычно берут из промежутка от 12 до 220, что соответствует значениям скоростей u/c из промежутка от 0,465 до 0,49.

В одноступенчатой турбине скорость потока пара, падающего на лопатки, совпадает со скоростью истечения пара из входных сопел, которая может быть рассчитана по формуле:

Сис = 44,75·φ·√[(H0 + (с²вх)/2003)]

где:

Cис – скорость истечения пара из сопла, м/с
φ – скоростной коэффициент, учитывающий потери (берется из промежутка от 0,93 до 0,98 в зависимости от степени обработки сопел)
H0 – адиабатический теплоперепад на сопле, кДж/кг
Свх – скорость входа пара в сопло, м/с

Зная окружную скорость лопаток, можно определить число оборотов ротора турбины:

n = (60·u) / (π·d)

где:

n – скорость вращения ротора, об/мин
u – окружная скорость лопаток, м/с
d – средний диаметр венца лопаток, м

Для наглядности приведем решения несложных задач:

Задача 1

Одноступенчатая турбина активного действия соединена с электрогенератором через понижающий редуктор. В турбину продается пар с температурой t0=280°C под давлением P0=1,6 МПа. Противодавление турбины составляет Pпр=0,12 МПа. Электрогенератор развивает на клеммах мощность Nэ=90 кВт. Необходимо рассчитать требуемый расход пара. КПД турбины принять равным ηт=0,7, КПД редуктора - ηр=0,95, КПД генератора - ηг=0,94.

Решение:

Воспользуемся диаграммой состояния воды и водяного пара и определим энтальпию пара на входе в турбину. Энтальпия пара при t0=280°C0 и P0=1,6 МПа приблизительно равна:

i0 = 2990 кДж/кг

Поскольку пар подвергается адиабатическому расширению только в сопле, а на лопатках активной турбины изменения давления не происходит, то противодавление турбины можно принять равным давлению пара после прохождения сопел. Исходя из этого, вновь воспользуемся диаграммой состояния воды и водяного пара и определим его теплосодержание после адиабатического расширения:

i1 = 2420 кДж/кг

Далее мы можем найти общий теплоперепад на турбине:

H0 = i0 - i1 = 2990 - 2420 = 570 кДж/кг

Теперь можно воспользоваться формулой связи расхода пара и мощности на клеммах электрогенератора и найти искомую величину:

G = (Nэ·3600) / (H0·ηт·ηр·ηг) = (90·3600) / (570·0,7·0,95·0,94) = 909,33 кг/час

Также можно определить удельный расход пара на выработку одного кВт мощности:

Gу = G / Nэ = 909,33 / 90 = 10,1 кг/(кВт·час)

Задача 2

Основываясь на данных предыдущей задачи, определить скорость вращения вала турбины и необходимое передаточное отношение редуктора, связывающего турбину и двухполюсной электрогенератор. Средний диаметр венца лопаток составляет d=0,7 м. Угол наклона сопла α=200. Скоростной коэффициент принять равным φ=0,96.

Решение:

Определим оптимальное соотношение окружной скорости лопаток и скорости потока пара по формуле:

u/c = cos(⁡α)/2 = cos(⁡20)/2 = 0,47

Перед тем как найти окружную скорость лопаток, необходимо рассчитать действительную скорость пара на выходе из сопел. Для этого воспользуемся формулой (входной скоростью пара на сопла пренебрегаем и полагаем ее равной 0), взяв из прошлой задачи значение H0=570 кДж/кг:

с = 44,75·φ·√(H0) = 44,75·0,96·√570 = 1025,66 м/сек

Теперь, используя полученное значение скорости потока пара, определим окружную скорость лопаток турбины:

u = [(cos⁡(α))/2]*c = 0,47*1025,66 = 482,06 м/сек

Далее становится возможным определение числа оборотов вала турбины:

n = (60*u)/(π*d) = (60*482,06)/(3,14*0,7) = 13159 об/мин

В нашем случае электрогенератор двухполюсной, поэтому его число оборотов ротора должно равняться 3000 в минуту. Исходя из этого, найдем необходимое передаточное число редуктора:

i = 3000/13159 ≈ 1/4,4

Далее рассмотрим тепловой расчет простого турбинного агрегата (вычисление основных параметров) путем решения несложных задач.

Задача 1.

На турбину подается пар с давлением P0 = 4 МПа и температурой T0 = 380 °C. После прохождения турбины пар расширяется и его давление снижается до P1 = 0,7 МПа. Необходимо определить общий теплоперепад турбины Hоб.

Решение:

Для решения данной задачи воспользуемся диаграммой состояния воды и водяного пара (I-S диаграммой). Отметив на диаграмме точки с начальными и конечными значениями пара, мы определим энтальпии пара i0 и i1 , которые соответствуют следующим показателям:

i0 = 3185 кДж/кг
i1 = 2835 кДж/кг

Зная значения энтальпии, определим общий теплоперепад в турбине следующим образом:

Hоб = i0-i1 = 3185-2835 = 350 кДж/кг

Задача 2.

Необходимо установить мощность Nэ одноступенчатой конденсационной турбины, рассчитанной на следующие параметры свежего пара: расход G = 1675 кг/час, давление P0 = 1,5 МПа, температура T0 = 210 °C, давление в конденсаторе Pk = 0,3 МПа. КПД  турбины ŋоt = 0,8.

Решение:

Первоначально построим процесс расширения пара на диаграмме I-S и определим общий теплоперепад на турбине.

Hоб = i0-ik = 2823-2196 = 627 кДж/кг

Затем найдем мощность турбины, преобразовав формулу для нахождения расхода пара:

Nэ = (G·Hоб)/(3600·ŋоt) = (1675·627)/(3600·0,8) = 365 кВт.

Задача 3.

Необходимо определить относительный эффективный КПД (ŋоt) и расход пара турбины, зная следующие параметры ее работы: давление и температура на входе P0 = 8 МПа, T0 = 450 °C; конечное давление пара Pk = 1,6 МПа. Мощность турбины принять Nэ = 2200 кВт. Механический КПД турбины принять равным ŋм = 0,98, а относительный внутренний КПД ŋвн = 0,8.

Решение:

Обратившись к диаграмме состояния воды и водяного пара, мы сможем построить процесс расширения пара в турбине и определить параметры на входе и выходе из нее. Значения энтальпии пара на входе и выходе равны соответственно:

i0 = 3275 кДж/кг
ik = 2859 кДж/кг

Искомую величину КПД можно определить согласно следующему соотношению:

ŋоt = ŋт·ŋвн·ŋм = 0,86·0,8·0,98 = 0,67

Где:

ŋт – теоретический КПД, определяемый следующим образом:

ŋт = (i0-ik)/(i0-i’k) = (3275-2859)/(3275-2791,7) = 0,86·100 = 86 %

где:
i’k – энтальпия пара при давлении Pk =1,6 МПа (определяется по таблице), кДж/кг.

Для расчета расхода пара необходимо найти общий теплоперепад на турбине:

Hоб = i0-i1 = 3275-2859 = 416 кДж/кг

Теперь найдем расход пара на турбине, используя формулу:

G = Nэ/(Hоб·ŋоt) = 2200/(416·0,67) = 7,9 кг/с

Задача 4.

Для получения одновременно тепловой и электрической энергии на теплоэлектростанции эксплуатируются два типа паровых турбин: с противодавлением и конденсационная, общей производимой  электрической мощностью Nэ = 7500 кВт. На турбины подается пар с давлением P0 = 4,5 МПа и температурой Т0 = 400 °C. Расход пара на турбину с противодавлением составляет Gп = 8,3 кг/с, а давление на выходе из турбины Pп = 0,16 МПа. На выходе из конденсационной турбины значение давления пара имеет следующее значение Pk = 0,07 МПа. Необходимо определить мощность каждой турбины и расход пара на конденсационной турбине. Относительный эффективный КПД турбины принять ŋоt = 0,75.

Решение:

По диаграмме состояния воды и водяного пара найдем общий теплоперепад на каждой из турбин, аналогично приведенным выше задачам.

Hобп = i0-iп = 3210-2512 = 698 кДж/кг

Hоб к = i0-iк = 3210-2388 = 822 кДж/кг

Определим электрическую мощность турбины с противодавлением, выразив ее из формулы расхода пара:

Nэп = Gп·Hоб·ŋоt = 8,3·698·0,75 = 4345 кВт.

Теперь вычислим мощность конденсационной паровой турбины вычтя из общей электрической мощности электрическую мощность турбины с противодавлением:

Nэк = Nэоб-Nэп = 7500-4345= 3155 кВт

Также определим расход пара на конденсационной турбине:

Gк = Nэк/(Hобк·ŋоt) = 3155/(822·0,75) = 5,12 кг/с.

Задача 5.

Известно, что отдельная ступень турбины имеет относительный КПД ηoi = 0.85, а теплоперепад на ней составляет H0ст =100 кДж/кг. Нужно определить необходимое количество таких ступеней для турбины, работающей в области перегретого пара, общий теплоперепад которой составляет H0=1000 кДж/кг. Принять, что все ступени идентичны и обладают идентичными параметрами.

Решение:

Проведем ориентировочный расчет коэффициента возврата теплоты qt. Учитывая, что число ступеней нас не известно, предварительно примем их число z равное 10:

qt = kt · (1-ηoi) · H0 · [(z-1)/z]

Где kt –расчетный коэффициент, для турбины, работающей на перегретом пару, равный 5,8·10-4. После преобразований получим:

qt = 5,8 · 10-4 · (1-0,85) · 1000 · [(10-1)/10] = 0,0783

Теперь, зная предварительное значение коэффициента возврата теплоты, можно определить уточненное значение числа ступеней по формуле:

z = [H0 · (1+qt)] / H0ср = [1000·(1+0,0783)] / 100 = 10,783

Полученное значение z округляем в большую сторону и получаем искомую величину z равную 11.

Задача 6.

Диафрагма промежуточной ступени турбины оснащена лабиринтным уплотнением со следующими характеристиками: диаметр уплотнения dу=0,2 м, зазор уплотнения составляет δу=0,4 мм, а количество гребней Z=7. Пар перед ступенью имеет температуру Т1=400°C и давление P1=1,6 МПа, которое после ступени падает до P2=1,4 МПа. Необходимо рассчитать величину потерь G через уплотнение, при этом коэффициент расхода μу принять равным 0,91.

Решение:

Достаточно больше число гребешков z=7 позволяет использовать упрощенную формулу расчета величины потерь:

G = μy · Fy · √(1-ϵy²)/z · √p1/v1

Где:
Fу – площадь зазора уплотнения, м2
εу – отношение давлений по разные стороны от уплотнения p2/p1 = 1,4/1,6 = 0,875;
v1 – удельный объем, м3/кг.

Площадь зазора уплотнения можно определить исходя из имеющихся геометрических параметров уплотнения, указанных в условии задачи, по формуле:

Fy = π · dy · δy = 3,14·0,2·0,4· 10-3 = 0,2512·10-3 [м²]

Величину удельного объема можно определить по i-s диаграмме, и для P1=1,6 МПа и T1=400°C удельный объем составит v1=0,19 м3/кг.

Рассчитаем искомую величину потерь:

G = 0,91 · 0,2512· 10-3 · √(1-0,875²)/7 · √(1,6·106)/0,19 = 0,121 кг/с

Задача 7.

Дана турбина, номинальному режиму работы которой соответствуют следующие параметры: температура на входе Tн0=800 °C, давление на входе Pн0=1 МПа, расход пара G0=200 кг/сек, а давление пара на выходе Pк0=0,1 МПа. Вследствие реорганизации производства были изменены рабочие параметры турбины, так расход увеличился до G1=210 кг/сек., а температура упала до Тн1=750°C. Какое давление пара на входе Pн1 необходимо обеспечить при изменившихся условиях, чтобы обеспечить неизменное давление пара выходе, то есть Pк1=Pк0.

Решение:

Искомую величину можно определить, воспользовавшись следующим соотношением:

G1/G0 = √(Pн1²-Pк1²)/(Pн0²-Pк0²) · √Tн0/Tн1

Выразим из данного выражения давление на входе  Pн1 и рассчитаем его:

Pн1 = √(G1/G0)² · (Pн0²-Pк0²) · Tн1/Tн0 + Pк1² = √(210/200)²·(1²-0,1²) · (750+273)/(800+273) + 0,1² = 1,025 МПа

Паровая турбина - изобретения и открытия

Турбина (от лат. turbo , буря, смерч) — проточный двигатель.

Кинетическая или потенциальная энергия текущей жидкости напрямую используется для вращения ротора турбины.

Простейший тип турбины - водяное колесо (колесо может быть погружено в проточную воду или поток воды может быть направлен на него сверху), или ветряная мельница.

Прообразом паровой турбины была ванна Герона.
Паровая турбина – это турбина, в которой движущим фактором является водяной пар.

Еще в начале XVII века был нарисован рисунок чего-то вроде водяного колеса, но вращающегося под действием выходящего из трубы пара. Эта идея была использована в 1883 г. шведским инженером Густавом де Лавалем, разработавшим маломощную турбину со специально разработанной формой сопла, гарантирующей высокую скорость выхода пара. В турбине этого типа тепловая энергия пара (обычно от парового котла или парогенератора) преобразуется в кинетическую энергию, а затем эта энергия преобразуется в энергию вращения.

В зависимости от принципа действия турбины делятся на:
действия,
реакции.

В 1884 году английский инженер Чарльз Парсонс произвел революцию в производстве электроэнергии, изобретя паровую турбину. Он построил многоступенчатую осевую паровую турбину и использовал ее для приведения корабля в движение.

Работая на высокой скорости, она показала, что вращение может быть достигнуто с помощью пара под давлением без использования поршня.


Паровая турбина быстро заменила паровой двигатель, используемый в генераторах электроэнергии, но была заменена газовой турбиной.
Основным элементом турбины являются лопасти, прикрепленные к ступице колеса. К недостаткам турбин можно отнести высокие требования к технологии изготовления – для изготовления лопаток используются материалы высокого класса. Важна и точность конструкции, что немаловажно при высоких скоростях вращения. Жидкость, протекающая между лопастями, воздействует на них силой и заставляет их вращаться. Вместе с турбиной вращается вал, который может приводить в движение другие устройства.

Турбина обычно используется на тепловых электростанциях (например,уголь) для приведения в движение генераторов, на кораблях и кораблях для движителей (гребных винтов, гребных колес) или других устройств. На кораблях (например, на «Титанике») его часто использовали вместе с паровым двигателем в качестве ступени низкого давления.

Отработанный пар из-за турбины может использоваться на теплоэлектростанциях для нагрева технической воды или на других установках для промышленных целей.
По сравнению с другими двигателями, турбина имеет большую мощность при относительно легком весе и размерах

.

Что такое паровая турбина: действие и ее виды

Ассортимент паровой турбины сложился уже в первом веке, когда устройство напоминало игрушку. Затем было изобретено практическое применение паровой турбины, которая является основой для разработки других типов паровых турбин. Современный тип паровой турбины был представлен в 1884 году Чарльзом Парсонсом, в конструкцию которого входит динамо-машина. Позже это устройство приобрело важное значение благодаря своим эксплуатационным возможностям, и люди были адаптированы для использования в его операциях.В этой статье описываются концепции паровой турбины и ее функциональные возможности.



Что такое паровая турбина?

Определение: Паровая турбина классифицируется как механическая машина, которая выделяет тепловую энергию из нагнетаемого пара и преобразует ее в механическую энергию. Поскольку турбина производит вращательное движение, она наиболее пригодна для работы электрогенераторов. Само название указывает на то, что устройство приводится в действие паром, и по мере того, как поток пара проходит через лопатки турбины, пар охлаждается, а затем расширяется, обеспечивая таким образом почти ту энергию, которая у него есть, и это непрерывный процесс.


Паровая турбина


Таким образом, лопасти преобразуют потенциальную энергию устройства в энергию кинетического движения. Таким образом, паровая турбина питает электроэнергией. Эти устройства используют повышенное давление пара для вращения электрогенераторов с чрезвычайно высокими скоростями, причем скорость их вращения максимальна, чем у гидротурбин и ветряков.

Например: Обычная паровая турбина имеет скорость вращения 1800-3600 об/мин, что почти в 200 раз больше скорости вращения ветряной турбины.



Принцип работы паровой турбины

Принцип работы данного устройства основан на динамическом движении пара. Повышенное давление пара, выходящего из форсунок, попадает на вращающиеся лопасти, которые плотно прилегают к диску, установленному на валу. Потому что за счет этой повышенной скорости в паре создается энергетическое давление на лопасти устройства, где затем вал и лопасти начинают вращаться в одинаковом направлении. В общем, паровая турбина изолирует энергию стебля, а затем преобразует ее в кинетическую энергию, которая затем проходит через сопла.

Оборудование в паровой турбине

Так происходит преобразование кинетической энергии при механическом воздействии на лопасти ротора, а этот ротор соединен с паротурбинным генератором и выступает в качестве посредника. Поскольку конструкция устройства настолько обтекаема, оно производит минимальный шум по сравнению с другими типами вращающихся устройств.

В большинстве турбин скорость вращения лопастей линейна со скоростью пара, протекающего через лопасти. Когда пар расширяется в самой монофазной фазе от силы котла до силы выхлопа, скорость пара значительно увеличивается.Напротив, главная турбина, которая используется на атомных электростанциях, где степень расширения пара составляет почти 6 МПа до 0,0008 МПа, имеет скорость вращения 3000 оборотов при частоте 50 Гц и 1800 оборотов при частоте 60 Гц.

Таким образом, многие атомные электростанции работают как однотурбинный генератор высокого давления, который имеет одну многоступенчатую турбину и три параллельных турбины низкого давления, возбудитель с основным генератором.

Типы паровых турбин

Паровые турбины классифицируются на основе многих параметров, и существует множество типов, в том числе.Обсуждаются следующие типы:

Паровой трафик на основе

В зависимости от парового трафика они делятся на различные типы, которые включают следующие.

Импульсная турбина

Здесь пар с высокой скоростью, выходящий из сопла, попадает на вращающиеся лопасти, расположенные на роторе в периферийной части. Благодаря удару лопасти меняют направление вращения без изменения величины давления. Резкое давление заставляет вал вращаться. Примерами этого типа являются турбины Рато и Кертиса.

Реакционная турбина

Здесь расширение пара будет происходить как в подвижных, так и в неподвижных лопатках при прохождении через них потока. На этих лопастях будет постоянный перепад давления.

Комбинация реактивной и импульсной турбины

В зависимости от комбинации реактивной и импульсной турбины они делятся на различные типы, включая следующие.

  • На основе ступеней давления
  • На основе движения пара
На основе ступеней давления

Различные типы классифицируются в зависимости от ступеней давления.

Одноступенчатые

Используются для питания центробежных компрессоров, воздуходувок и других подобных инструментов.

Многофазная импульсная реактивная турбина

Они используются в диапазоне экстремальных характеристик, минимальном или максимальном диапазонах.

В зависимости от движения пара

В зависимости от движения пара они делятся на разные типы.

Осевые турбины

В этих устройствах поток пара будет иметь направление, параллельное оси ротора.

Радиальные турбины

В этих устройствах поток пара будет перпендикулярен оси ротора или одна или две фазы более низкого давления будут выполняться в осевом направлении.

В зависимости от методологии управления

В зависимости от применяемой методологии они делятся на разные типы.

Управление дроссельной заслонкой

В этом случае свежий пар поступает через один или несколько дроссельных клапанов, работающих параллельно, и это основано на развитии мощности.

Управление форсунками

Здесь свежий пар поступает через один или несколько регуляторов, которые открываются последовательно.

Управление байпасом

Здесь пар приводит в действие как первую, так и остальные промежуточные фазы турбины.

В зависимости от метода сброса тепла

Они делятся на различные типы по методу сброса тепла.

Конденсация турбин генераторами

В этом случае в конденсатор подается сила пара, которая меньше давления окружающей среды.

Извлечение промежуточной фазы конденсата турбины

Для этой цели пар изолируется от промежуточных фаз для коммерческого отопления.

Турбины с противодавлением

В этом случае отработанный пар используется как для отопления, так и для промышленных целей.

Топливные турбины

Здесь извлекаемый пар используется для конденсации турбин малой и средней мощности.

На основании параметров пара на входе в турбину
  • Низкое давление (от 1,2 до 2 атм)
  • Среднее давление (40 атм)
  • Высокое давление (> 40 атм)
  • Очень высокое давление (170 атм) Сверхкритическое
  • 9005 (> 225 и выше)
Основано на промышленном применении
  • Постоянная скорость со стационарными турбинами
  • Переменная скорость со стационарными турбинами
  • Переменная скорость с нестационарными турбинами

Различие между паровой турбиной и паровой печью двигателя

разница между ними указана ниже.

Балансировочные свойства Прямой Конструкция и обслуживание сложны 90 180 90 185 90 176 90 177 Подходит для высокоскоростных устройств 90 180 90 177 Подходит только для устройств с минимальной скоростью 90 180 90 185 90 176 90 177 Равномерная мощность Поколение 90 180 90 177 неровная выработка электроэнергии 90 180 90 185 90 176 90 177 Повышенная эффективность 90 180 90299

. Совет директора. паровой турбины аре

  • Схема турбины Паровая система требует минимального пространства
  • Оптимизированная работа и надежная система
  • Требует более низких эксплуатационных расходов и занимает минимальное пространство
  • Повышенная эффективность паровых путей

Недостатки паровой турбины:

  • Имеет минимальный КПД, т.е. отношение скорости лопастей к скорости пара не является оптимальным
  • Применение паровых турбин

    • Турбины смешанного давления
    • Применяется в машиностроении
    • Энергетические инструменты

    Часто задаваемые вопросы

    Часто задаваемые вопросы

    Каков КПД паровой турбины?

    Определяется как отношение работы, выполняемой вращающимися лопастями, к общей энергии, передаваемой на килограмм пара.

    2). Какая турбина эффективнее?

    Наиболее эффективными турбинами являются импульсные турбины.

    3). Как повысить КПД паровой турбины?

    Производительность можно увеличить за счет повторного нагрева паровой турбины, рекуперации тепла турбинного сырья и бинарной рециркуляции паров.

    4). Что такое паротурбинный генератор ?

    Это первое устройство преобразования энергии на электростанции.

    5). Как пар может вращать турбину?

    Путем нагревания воды до температуры, при которой она превращается в пар.

    Это паровые турбины. Хорошая вращательная балансировка и минимальные удары молотком позволяют использовать эти устройства в различных отраслях промышленности. Возникающий здесь вопрос заключается в том, чтобы знать об использовании паровых турбин.

    .

    Строительство и эксплуатация турбины Фрэнсиса - Новости и статьи - Малые ГЭС

    ИСТОРИЯ

    Водяные турбины XIX века, использующие энергию проточной воды, стали конкурентоспособными устройствами для паровых машин. Турбина американца — Джеймса Б. Фрэнсиса — была создана в 1848 году как усовершенствованная конструкция устройств, ранее сконструированных французским инженером-механиком Бенуа Фурнейроном, Жаном-Виктором Понселе и С.Б.Говард, запатентовавший свое изобретение в США в 1838 году. В настоящее время сфера применения турбины Фрэнсиса - средние и большие сбросы - от нескольких метров до примерно 500 метров максимум.

    КОНСТРУКЦИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТУРБИНЫ Фрэнсиса

    Наиболее важным элементом турбины Фрэнсиса является ротор. Он состоит из двух колец, соединенных друг с другом лопастями особой формы (рис. 1). Такая форма заставляет ротор вращаться за счет силы тяги и подъемной силы за счет разности давлений в передней и задней частях лопасти.


    Рис. 1 Ротор турбины Фрэнсиса (источник: flickr.com, автор Ferrous Büller)
    Ротор турбины Фрэнсиса заключен в кожух спиральной сужающейся формы. Внутри спирали расположены направляющие лопатки, которые регулируют расход воды и направляют поток к лопастям ротора. Через ротор вода достигает так называемого всасывающая труба, отводящая воду и повышающая КПД всего гидроагрегата за счет разности давлений. Генератор, соединенный с ротором валом, преобразует кинетическую энергию турбины Фрэнсиса в электричество, которое идет в электросеть.
    Рис. 2 Турбина Фрэнсиса — принцип работы
    Турбины Фрэнсиса также бывают других конфигураций, особенно на старых мельницах. Там так называемая «Открытые камеры», в которых вода поступает в рабочее колесо непосредственно через входные лопатки.

    ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ТУРБИНЫ FRANCIS

    Преимущества:
    - высокий КПД, достигающий даже более 94 процентов,
    - максимально возможная мощность турбины,
    - более износостойкая по сравнению с турбинами Пельтона,
    - может использоваться во многих, различных строительных системах.

    Недостатки:
    - высокая стоимость изготовления и монтажа,
    - ограниченные возможности регулирования расхода (отсутствие двойного регулирования),
    - чувствителен к загрязнениям (включая ветки, листья и т.д.), трудная очистка,
    - высокая чувствительность чтобы изменения кровоточили.


    ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ С FRANCIS TURBINES
    В Польше есть несколько гидроэлектростанций, использующих турбины Фрэнсиса, в том числев Гидроэлектростанция в Белькове, Галонна Мала, Пильховицах и Реёвицах. В мире примеры использования турбин Фрэнсиса включают электростанцию ​​на реке Итайпу (Бразилия, 20 x 700 МВт) или электростанцию ​​Гури (Венесуэла, 10 турбин, каждая мощностью 730 МВт).

    Источник: основные фотографии flickr.com (фото: Портлендский корпус), источник фото из галереи flickr.com (фото: Инженерный корпус армии США, округ Нэшвилл, Зейн Смит, Swiss Small Hydro)

    .

    изобретений, опередивших свое время [часть 2.]. Аккумулятор и паровая турбина

    Некоторые изобретения появлялись достаточно долго, чтобы их можно было использовать в большем масштабе, их приходилось изобретать заново. Однако старые знания не всегда забывались. Иногда его просто применяли поколениями к одной-единственной цели, не осознавая, несмотря на течение времени, потенциала решения. Примером такой истории является, в частности, батарея. Что с ней случилось?

    Некоторые изобретения были так давно, что их приходилось изобретать заново, чтобы использовать в большем масштабе.Однако старые знания не всегда забывались. Иногда его просто применяли поколениями к одной-единственной цели, не осознавая, несмотря на течение времени, потенциала решения. Примером такой истории является, в частности, батарея. Что с ней случилось?

    Историю батареи проверить несложно — обычно ее описание начинается с экспериментов, которые Луиджи Гальвани проводил с лягушачьими лапками. Подключение их к электростатической машине приводило к сокращениям, что, по словам Гальвани, свидетельствовало об электричестве животных.Этот тезис спустя несколько лет был опровергнут — Алессандро Вольта высказал мысль о том, что сокращение вызвано реакциями между металлами, погруженными в электролит.

    Оба мужчины вошли в историю - в честь последнего первая батарея названа элементом Вольта, а первая названа в честь процесса, использующего открытый им принцип. Хотя название гальваники происходит от имени исследователя 18-го века, оказывается, что оно успешно использовалось тысячи лет назад.Как?

    Перед Второй мировой войной Вильгельм Кениг нашел странное судно недалеко от Багдада. Он был сделан из глины с медным цилиндром в центре. В результате боевых действий находка была уничтожена, но в 1960-х годах был обнаружен еще один аналогичный объект

    Багдадская батарея (Фото: Gajitz.com)

    Реконструкция устройства натолкнула исследователей на мысль проверить гипотезу Кенига, выдвинутую несколько десятилетий назад. назад - немецкий ученый пришел к выводу, что найденное оборудование может быть древним гальваническим элементом.

    Гипотеза оказалась верной. После заполнения сосуда кислотой (уксус или лимонный сок) батарея начинала работать (в этой статье вы увидите, как работает последнее изобретение IBM — батарея, которая дышит). Но зачем древним персам понадобились батареи? Оказалось, что ими пользовались ювелиры, которые благодаря им оцинковывали различные украшения, покрывая их очень тонким слоем золота. Работа устройства подтверждена, в том числе от "Разрушителей мифов", а как модель изготавливалась в домашних условиях, вы можете увидеть в следующем видео:

    Как собрать Багдадскую батарею

    Что немаловажно, эта технология, придуманная в древности, пережила много веков, и ювелиры из той части мира передавали из поколения в поколение информацию о том, как применить эту примитивную батарею на практике.На протяжении сотен лет никому из них не приходило в голову использовать этот инструмент для каких-либо иных целей, кроме позолоты украшений.

    Прорыв произошел, когда батарея была заново изобретена в другом месте и в другое время.

    Паровой двигатель кажется относительно новым изобретением. Сведения о его использовании относятся к первой половине 18 века, когда первые паровые машины стали применяться в различных машинах - первоначально для откачки воды из шахты, и, наконец, в 1771 году, для перемещения первого Николя-Жозефа Кюньо. паровая машина (в этой статье вы увидите, как выглядит самая старая в мире ездовая машина).

    Паровая машина Николя-Жозефа Кюньо (Фото Wikimedia Commons)

    На самом деле паровая машина была изобретена не на заре промышленной революции, а намного раньше. Древним грекам или, по крайней мере, одному из них, Герону Александрийскому, пришла в голову идея использовать пар для питания устройства.

    Если бы Герон родился несколько столетий спустя, возможно, он материализовался бы как Леонардо да Винчи. Однако он родился в египетской Александрии, и его значительные достижения сегодня кажутся несколько забытыми.

    Герон не имел недостатка в идеях и талантах - кроме геометрии и математики, его интерес находил выражение в работах с многозначительными названиями - "Автоматы", "Механика", "Метрика", "Пневматика" и "Зеркала", а античные Римляне должны быть ему вечно благодарны за вероятное изобретение требушета - осадной машины, которую с учетом античных и современных реалий можно считать комбинацией гаубицы и снайперской винтовки (требюше позволяет вести скоростной вести огонь с достаточно высокой точностью).

    Warwick Castle Trebuchet

    Герон разработал и другие устройства - ветряной орган или одометр, древний счетчик, который позволяет, благодаря своей связи с колесами транспортного средства, определять пройденное расстояние. Герону также приписывают изобретение первого уличного торгового автомата (в этой статье вы можете проверить, какие товары предлагают необычные торговые автоматы). Вместо выдачи калорийных напитков автомат выливал отмеренное количество воды, необходимой для храмовых омовений, предварительно бросив в него монетку.

    Герону приписывают еще одно важное изобретение. Это так называемый Баня Цапли, то есть первая паровая турбина. Баня Герона, также известная под латинским названием aeolipile, представляет собой шар с насадками по периметру. Под ним находился резервуар для воды, соединенный с шаром двумя трубками таким образом, что они образовывали ось, вокруг которой шар мог вращаться.

    После розжига огня под баком образовавшийся в нем водяной пар по трубам транспортировался к шару и выбрасывался через форсунки.Из-за отдачи вырывающегося пара мяч начал вращаться. Вы можете увидеть, как это работает на практике, в видео ниже, где показана упрощенная модель отсоса Heron.

    Самодельный паровой двигатель Героя Александрии, в стадии разработки.

    Как видите, устройство заработало. Так почему же древние не совершили собственную промышленную революцию и не заставили нас ждать ее еще 1700 лет? Наверное, просто не было такой необходимости. Тогдашним господствовавшим в Средиземноморье римлянам не приходилось заботиться о таких мелочах, как эффективность производства — вместо совершенствования технологий гораздо проще было просто нанять побольше рабов или даже, как Веспасиан, саботируя гидравлические краны, безработных граждан.

    Этот тезис подкрепляется, в частности, тем, что водяное колесо было известно тогда, но это знание - как и в случае с бана Герона - не вызвало технической революции. Потребовалось еще несколько столетий, чтобы созреть и осознать необходимость повышения производительности.

    .90 000 азбуки энергии - часть 3 - Пульс Бизнесу

    Во-первых, уголь измельчается до мелкой пыли, это позволяет увеличить поверхность контакта топлива с воздухом, что позволяет ему более полно сгорать. Системы сжигания угля в пылеугольных котлах (PCC от Pulverized Coal Combustion): мелкий уголь вдувается в камеру сгорания котла, где он сжигается при высокой температуре (см. схему ниже).Горячие газы, а точнее вырабатываемая тепловая энергия, превращают воду в трубах, окружающих котел, в пар. Пар высокого давления подается на турбину с тысячами пропеллерных лопастей. Пар заставляет эти лопасти вращаться, заставляя вал турбины вращаться с высокой скоростью. Генератор крепится на одном конце вала турбины и состоит из тщательно намотанных на ротор витков проволоки. Электричество вырабатывается в результате быстрого вращения фазного ротора в сильном магнитном поле.После прохождения через турбину пар конденсируется и возвращается в котел, где повторно нагревается.

    Электроэнергия преобразуется в более высокое напряжение (до 400 000 вольт), необходимое для эффективной передачи по сетям линий электропередач. По мере приближения к точкам потребления, например, в наших домах, электричество преобразуется в более безопасные напряжения 100-250 вольт, в зависимости от соответствующей страны (230 вольт в Польше).

    Рис. 1. Схема работы угольной электростанции.

    1. Измельчение и сушка угля
    2. Сжигание пыли в топке котла (обычно 50 кг/сек, для бурого угля 250 кг/сек)
    3. Подача воздуха в котел, который предварительно нагревается за счет энергии, рекуперируемой из дымовые газы
    4. Утилизация тепла дымовых газов, поступающих в дымовую трубу
    5. Нагрев и испарение воды высокого давления с последующим перегревом пара
    6.Подача перегретого пара к турбинам
    7. Расширение пара до минимально возможного давления. Преобразование тепловой энергии пара в кинетическую энергию вращения ротора турбины
    8. Выработка электроэнергии генератором, подключенным к турбине
    9. Поток пара в конденсатор
    10. Конденсация (конденсация) водяного пара
    11. Охлаждение градирня - охлаждение оборотной воды (воды, получающей тепло от пара в конденсаторе)
    12.Откачка конденсата насосом в котел - замыкание основного контура.

    PKN ORLEN строит парогазовую парогазовую электростанцию ​​во Влоцлавеке и будет строить в Плоцке. Как работают такие электростанции?

    Газотурбинные установки с комбинированным циклом (CCGT - Combined Cycle Gas Turbine, по-польски BGP Block Gas and Steam) представляют собой комбинацию газовой турбины и паровой турбины в одном блоке. Паровая турбина и генератор работают так же, как и в случае уже рассмотренной угольной электростанции.С другой стороны, газовая турбина представляет собой машину, через которую проходят горячие выхлопные газы, образующиеся в результате сгорания газа. Первыми газовыми турбинами, использовавшимися в энергетике, были большие авиационные двигатели, установленные на подшипниках и соединенные с генератором. С целью повышения энергоэффективности агрегатов с газовыми турбинами было принято решение использовать тепловую энергию выхлопных газов газовой турбины. Для этого горячие выхлопные газы с выхода газовой турбины направляются в парогенератор-утилизатор-утилизатор, в котором отдают тепло воде, превращая ее в пар, а затем перегревая пар до высоких температур (свыше 550°С).HRSG представляет собой котел без камеры сгорания и без факела. Водяной пар образуется в результате теплообмена между выхлопными газами и водой. Пар, образующийся в котле-утилизаторе, направляется на паровую турбину, где после приведения в движение ее ротора конденсируется в конденсаторе (конденсаторе) и возвращается в котел. В системе ПГУ примерно 2/3 мощности вырабатывается газовой турбиной и примерно 1/3 - паровой турбиной. Благодаря такому решению – рекуперации энергии дымовых газов, газовые и паровые агрегаты достигают чистого КПД, который уже превышает 60%.В типовых парогазовых установках на одном валу установлены газовая турбина, паровая турбина и генератор. Это (одновальное) решение снижает инвестиционные затраты и площадь электростанции. Это решение было принято на парогазовой установке, построенной компанией PKN Orlen во Влоцлавеке. На практике работают и другие решения, такие как, например, 2 газовые турбины и одна общая паровая турбина. Эти системы генерируют большую мощность, в современных условиях до 1 ГВт. Двухвальные решения обычно используются в установках, вырабатывающих большее количество технологического пара или тепла, что связано с нестандартной паровой турбиной, которую невозможно установить на общий вал с газовой турбиной.

    Рис. 2. Схема парогазовой (одновальной) электростанции на примере системы, реализованной PKN ORLEN во Влоцлавеке (с выводом технологического пара и электроэнергии на Анвиль)

    © ℗

    Подпись: Адам Чижевский, главный экономист PKN ORLEN

    .90 000 Основы паровых электростанций - Новости 2022 г.

    Паровая турбина

    Срок службы паровой турбины, как правило, очень велик. Паровые турбины эксплуатируются более 50 лет. Сроки рассмотрения исчисляются годами. При правильной эксплуатации и техническом обслуживании (в том числе при надлежащем химическом контроле котловой воды) паровые турбины чрезвычайно надежны.

    Основы паровой электростанции (на фото: «сверхсверхкритическая» паровая турбина Alstoma на электростанции Боксберг в Германии может производить 600 МВт, фото: GE)

    Требуются контролируемые переходные периоды, так как массивный корпус нагревается медленно, а дифференциальное расширение деталей должно быть сведено к минимуму.

    Для окружающей среды: Выбросы паровых турбин зависят от источника пара. Паровые турбины могут использоваться с котлом, работающим на любом топливе или на комбинации многих различных источников топлива, или они могут использоваться с газовой турбиной в комбинированной конфигурации.

    Паровой цикл

    Циклы Ренкина описывают работу тепловых паровых двигателей, обычно встречающихся на электростанциях, как схематично показано здесь, на рисунке 1.

    В таких паросиловых установках энергия вырабатывается за счет попеременного испарения и конденсации рабочего тела (во многих случаях вода, хотя могут использоваться и такие хладагенты, как аммиак).

    Рисунок 1. Простой цикл Ренкина

    В цикле Ренкина имеется четыре процесса, каждый из которых изменяет состояние рабочего тела. Эти состояния отмечены номером на рис. 1.

    Процесс 1-2s - Сначала рабочая жидкость перекачивается (в идеале изотропно) от низкого к высокому давлению с помощью насоса. Для накачки требуется входная мощность (например, механическая или электрическая).

    Процесс 2s-3 - Жидкость под высоким давлением поступает в котел, где она нагревается под постоянным давлением внешним источником тепла, превращаясь в насыщенный пар.Обычными источниками тепла для систем электростанций являются уголь, природный газ или ядерная энергия.

    Процесс 3-4s - Насыщенные пары расширяются через турбину для получения выходной мощности. В идеале это расширение изотропно. Это снижает температуру и давление пара.

    Процесс 4s-1 - Затем пар поступает в конденсатор, где охлаждается до состояния насыщенной жидкости. Эта жидкость возвращается в насос, и цикл повторяется.

    В реальных условиях как водяные насосы, так и паровые турбины не работают изотропно, и потери вызывают большую мощность насоса и меньше энергии, фактически вырабатываемой паром для лопаток.

    Паровая турбина 90 180 Паровой двигатель 90 180
    Минимальный потерей трения 90 180 90 177 Maximum Loss 90 180 90 185 90 176 90 177 Good Balance Balance Balance Balance Balancies.
    Плохой
    Нижняя эффективность, подходящая для крупных промышленных применений 90 180 Подходящие для минимальных промышленных применений 90 180
    Название: Основы паросиловых установок - Э. Халил на факультете машиностроения, Каирский университет, Каир, Египет
    Формат: PDF
    Размер: 3,40 МБ
    Страницы: 41
    Скачать: Вот тут Скачать обновления скачать | Скачать технические статьи

    Основы паросиловых установок

    .

    Разница между паровым двигателем и паровой турбиной | Сравните различия между похожими терминами - Технология

    Паровой двигатель и паровая турбина

    В то время как паровой двигатель и паровая турбина используют большую скрытую теплоту парообразования для выработки энергии, основное различие заключается в максимальном числе оборотов в минуту силовых циклов, которые оба могут обеспечить. Существует ограничение на количество циклов в минуту, которое может обеспечить поршневой двигатель с паровым приводом, заложенный в его конструкции.

    Паровые двигатели в локомотивах обычно имеют поршни двойного действия, которые чередуются с накоплением пара с обеих сторон. Поршень поддерживается штоком, соединенным крестовиной. Крейцкопф дополнительно крепится к штоку управления клапаном с помощью соединителя. Клапаны используются для подачи пара, а также для выпуска использованного пара. Мощность двигателя, создаваемая возвратно-поступательным движением поршня, преобразуется во вращательное движение и передается на приводные тяги и соединительные тяги, приводящие в движение колеса.

    Турбины имеют стальные лопасти, которые вращаются вместе с потоком пара. Можно выделить три основных технологических достижения, которые делают паровые турбины более эффективными, чем паровые двигатели. Это направление потока пара, свойства стали, из которой изготовлены лопатки турбины, и способ получения «сверхкритического пара».

    Современная технология, используемая для определения направления и формы потока пара, является более сложной по сравнению со старой технологией окружного потока.Введение прямого потока пара с лопастями под углом, который создает небольшое обратное сопротивление или не создает его вообще, дает пару максимальную энергию для вращения лопастей турбины.

    Сверхкритический пар получают путем сжатия обычного пара таким образом, что молекулы воды в паре вынуждены снова превращаться в жидкость, сохраняя при этом свойства газа; это имеет превосходную энергоэффективность по сравнению с обычным горячим паром.

    Эти два технологических достижения были достигнуты благодаря использованию высококачественной стали для производства лезвий.Таким образом, можно было запускать турбины на значительно больших скоростях, выдерживая высокое давление сверхкритического пара при том же количестве энергии, что и традиционная паровая энергия, не ломая и даже не повреждая лопатки.

    Недостатками турбин являются: малые передаточные числа, которые приводят к ухудшению характеристик при снижении давления пара или скорости потока, медленное время пуска во избежание термических ударов в тонких стальных лопатках, высокие инвестиционные затраты и высокое качество пара, требующее обработка питательной воды.

    Основным недостатком паровой машины является ограничение скорости и низкий КПД. Обычный КПД парового двигателя составляет около 10–15%, а новейшие двигатели могут работать с гораздо более высоким КПД, около 35%, благодаря использованию компактных парогенераторов и отказу от использования моторного масла, что увеличивает срок службы жидкости. .

    Для небольших систем паровой двигатель предпочтительнее паровых турбин, поскольку производительность турбин зависит от качества пара и высокой скорости.Выхлопные газы паровой турбины имеют очень высокую температуру и, следовательно, низкий тепловой КПД.

    Учитывая высокую стоимость топлива, используемого для двигателей внутреннего сгорания, очевидно возрождение паровых двигателей. Паровые двигатели очень хорошо справляются с рекуперацией отработанной энергии из многих источников, включая выхлопные газы паровых турбин. Отработанное тепло паровой турбины используется на комбинированных теплоэлектростанциях. Кроме того, он позволяет отводить отработанный пар в виде дымового газа при значительно более низких температурах.


    .

    Смотрите также