Где используются паровые турбины: Паровая турбина — урок. Физика, 8 класс.

Паровая турбина

15.04.2021

Паровая турбина

Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена ещё в далеком 1889 году шведом Лавалем. Классической паровой турбине уже больше века, а использование энергии пара для выработки электроэнергии в настоящее время получает все большее распространение в новых технологиях энергосбережения в России.
К ним, в частности, относится перевод котельных в мини-ТЭЦ. Масштабы применения этой технологии энергосбережения достаточно велики. Так, в России находится в эксплуатации около 80 тыс. паровых котельных паропроизводительностью 10–100 т/час. Эти котельные обычно используются в производственно-отопительных целях и принадлежат небольшим предприятиям бумажной, лесопильной, пищевой, мясо-молочной, кондитерской отраслей промышленности, производства строительных материалов, текстильной, кожевенной и многих других индустрий.
Параметры производимого пара и его потребление в разных котельных сильно различаются и зависят от назначения использования пара на предприятии, от времени года (летний и зимний режимы) и от времени суток.

Из этого пара возможно реально получить 200–1000 кВт электроэнергии. Для этого необходимо пар после котла направить в расширительную машину, например, в паровую турбину, связанную с электрогенератором. Таким образом можно получить очень дешевую электроэнергию (дополнительный расход топлива и эксплуатационные расходы незначительны). Однако использование паровой турбины здесь малопродуктивно, поскольку в указанной области небольших мощностей она имеет ряд хорошо известных недостатков.

Наиболее привлекательными по совокупности свойств в данном диапазоне мощности являются паровые винтовые машины (ПВМ). ПВМ по своей сути является новым типом паровой турбины. ПВМ разработана в России, она уникальна, зарубежные аналоги отсутствуют. На конструкцию ПВМ, ее узлов и систем получено около 25 патентов в России и за рубежом.

В диапазоне мощности 200–1000 кВт ПВМ практически по всем показателям значительно превосходит обычную лопаточную паровую турбину. ПВМ является наиболее перспективной основой для создания мини-ТЭЦ, особенно в районах Крайнего Севера и в приравненных к ним районах. Здесь ориентация на электростанции на дизельном топливе должна быть исключена в связи с многократным повышением цены топлива. В мини-ТЭЦ должны использоваться местные топливные ресурсы: уголь, торф, отходы лесопереработки.

Преимущества ПВМ

Основное преимущество энергоустановки с ПВМ по сравнению с имеющимися на рынке паротурбинными энергоустановками заключается в следующем: установки спроектированы практически на одно единственное сочетание расхода и давлений пара на входе в машину и на выходе из нее. Данное сочетание условий по пару определяет мощность машины. В то же время условия по пару у разных предприятий сильно различаются, и очень маловероятно, чтобы они совпали с расчетными условиями машины.

Конструкция ПВМ позволяет в широком диапазоне приспосабливаться к конкретным условиям предприятия и, как следствие, может покрывать весь наиболее часто встречающийся диапазон мощности 200–1000 кВт. Подобная вариативность значительно расширяет спектр применения ПВМ. Высокий КПД расширения (0,7–0,75) в широком диапазоне режимов. Конденсат, образующийся при расширении пара, заполняет зазоры между рабочими органами, тем самым уменьшая протечки пара и повышая КПД.

Простота конструкции, высокая ремонтопригодность.

Высокий межремонтный ресурс обусловлен отсутствием взаимного касания роторов и, соответственно, отсутствием механического износа.

ПВМ может работать на паре любой влажности, в то время как минимальная степень сухости пара на выходе лопаточных турбин составляет 88%. Влажный пар вызывает эрозионный износ лопаток. Как известно, у подавляющего большинства котлов малой производительности отсутствуют пароперегреватели, поэтому этими котлами вырабатывается сухой насыщенный пар. При расширении его в проточной части турбины степень сухости падает, что создает опасность преждевременного выхода установки из строя.

Неприхотливость к качеству пара, наличию в нем частиц окалины и грязи.

Габариты и масса ПВМ меньше, чем у лопаточной турбины аналогичной мощности. Это важно при размещении ПВМ в действующем здании котельной.

Высокая маневренность при изменении режима работы. Быстрый пуск и останов.

Высокая эксплуатационная надежность и безопасность при возникновении аварийной ситуации.

Доказано практикой и экономикой

Предприятие ООО «Промышленные компоненты КАМАЗ» (г. Набережные Челны), наладило производство паровой винтовой турбины мощностью асинхронного генератора 1000 кВт. В настоящее время машина находится в эксплуатации и уже показала свою работоспособность и эффективность.

Паровая турбина для морского судна

Компания Kawasaki начала производство судовых паровых турбин в 1907 в сотрудничестве с зарубежными компаниями. Когда соглашение о техническом сотрудничестве истекло в 1925 году, Kawasaki устремилась вперед, опираясь на свои разработки, и никогда не оглядывалась назад.

Kawasaki также производит редукторы, которые могут использоваться с нашими паровыми турбинами, что обеспечивает максимальную надежность. Фирменные технологии, лежащие в основе нашей высококачественной, надежной продукции заслужили высокие оценки судовладельцев и верфей во всем мире.

Особенности

• Один из немногих в мире производителей морских паровых турбин
• Высокая надежность

Модельный ряд

Главные судовые турбины типа URA (Паровые турбины с промежуточным нагревом пара)

Модель	Диапазон мощности кВт (л.с.)	Общая масса (тонн)
URA-360	20 600 ( 28 000 ) ~ 26 500 ( 36 000 )	330
URA-400	26 500 ( 36 000 ) ~ 29 400 ( 40 000 )	340
URA-450	29 400 ( 40 000 ) ~ 33 100 ( 45 000 )	360
URA-500	33 100 ( 45 000 ) ~ 36 800 ( 50 000 )	370

Примечание

*

Модель именуется по максимальной мощности на валу.

**

Диапазон вращения вала в таблице принимается за 80-90 об/мин и соотносится с мощностью на валу для танкера-газовоза. Разряжение в конденсаторе принято за 722 мм рт.ст. при 24ºC морской воды.

Ходовые морские турбины типа UA

Модель	Диапазон мощности кВт (л.с.)	Общая масса (тонн)
UA-120	5 800 ( 8 000 ) ~ 8 800 ( 12 000 )	150
UA-160	8 800 ( 12 000 ) ~ 11 800 ( 16 000 )	170
UA-200	11 800 ( 16 000 ) ~ 14 700 ( 20 000 )	220
UA-240	14 700 ( 20 000 ) ~ 17 600 ( 24 000 )	260
UA-280	17 600 ( 24 000 ) ~ 20 600 ( 28 000 )	280
UA-320	20 600 ( 28 000 ) ~ 23 500 ( 32 000 )	295
UA-360	23 500 ( 32 000 ) ~ 26 500 ( 36 000 )	300
UA-400	26 500 ( 36 000 ) ~ 29 400 ( 40 000 )	305
UA-440	29 400 ( 40 000 ) ~ 32 400 ( 44 000 )	330
UA-500	32 400 ( 44 000 ) ~ 36 800 ( 50 000 )	360

Примечание

*

Модель именуется по максимальной мощности на валу.

**

Диапазон вращения вала в таблице приният за 80-125 об/мин и соотносится с мощностью на валу для танкера-газовоза. Разряжение в конденсаторе принято за 722 мм рт.ст. при 24ºC морской воды.

Редукторы

Редуктор для судовой паровой турбины

Редуктор для DFD

Ссылка

• [НОВОСТИ] Компания Kawasaki первой в мире выпустила 100-ю турбину для танкеров-газовозов.

Головной офис

Завод в Кобэ Департамент сбыта продукции морского машиностроения ИНФОРМАЦИЯ И КАРТА	1-1, Хигаси-Кавасаки-тё 3-тёмэ, Тюо-ку, Кобэ 650- 8670, Япония Отдел продаж запасных частей Телефон: +81-78-682-5321 / Факс : +81-78-682-5549 E-mail : [email protected]
Головной офис в Токио Департамент сбыта продукции морского машиностроения ИНФОРМАЦИЯ И КАРТА	14-5, Кайган 1-тёмэ, Минато-ку, Токио 105-8315, Япония Отдел международной торговли Телефон : +81-3-3435-2374 / Факс : +81-3-3435-2022

Контакты

Основные региональные пукты контакта

Амстердам, Нидерланды Kawasaki Heavy Industries (Europe) B. V.	Телефон : +31-20-6446869/ Факс : +31-20-6425725 E-mail: [email protected]
Гонконг, Китай Kawasaki Heavy Industries (H.K.) Ltd.	Телефон : +852-2522-3560/ Факс : +852-2845-2905 E-mail: [email protected]

Контакты

Если вам нужна дополнительная информация о нашем бизнесе, пожалуйста, свяжитесь с нами.
Телефон. +81-3-3435-2374

Контакты

Паровая турбина. Паровые двигатели :: Класс!ная физика

Здесь есть всё! Одним из видов тепловых двигателей, использующих энергию водяного пара, является паровая турбина, в которой происходит преобразование тепловой энергии пара в механическую работу. Паровая турбина оказалась более удобной в применении, компактной и экономичной, чем поршневая паровая машина. В 130 г. до н.э. Герон Александрийский изобрел устройство под названием «эолипил». Это была примитивная паровая турбина. Оно представляло собой полую сферу, заполнявшуюся паром. Сфера имела два Г-образными сопла. Пар вытекал из сопел, расположенных с противоположных сторон сферы, с большой скоростью, и сфера начинала вращаться. В основе действия такой паровой турбины лежал реактивный принцип. В 1629 году Джованни Бранки была создана паровая турбина, использующая активный принцип. Потенциальная энергия пара преобразовывалась в кинетическую и совершала работу. В этой машине струя пара приводила в движение колесо с лопатками, напоминающее колесо водяной мельницы. Но первые турбины, подобные машине Бранки, обладали ограниченной мощностью, поскольку паровые котлы не были способны создавать высокое давление. В 1815 г. инженер Ричард Трейвисик установил два сопла на ободе колеса паровоза и пропустил через них пар. На сходном принципе было основано устройство лесопильной машины, построенной в 1837 г. американцем Уильямом Эйвери. В одной лишь Англии за 20 лет, с 1864 по 1884 г., было запатентовано более сотни изобретений, так или иначе относящихся к турбинам. Но ни одна из этих попыток не завершилась созданием пригодной для промышленности машин. Независимо друг от друга в 1884 — 1889 гг. шведский инженер Карл Густав де Лаваль и Чарлз Парсонс из Ирландии создали промышленно пригодные паровые турбины. Лаваль применил сопло, расширяющееся на выходе. Такое сопло позволило получить гораздо большую скорость пара, и вследствие этого скорость вращения ротора турбины также существенно увеличилась. Полученную струю Лаваль направил на один ряд рабочих лопаток, насаженных на диск.Это была паровая турбина, работающая по активному принципу. Невозможность получить большую агрегатную мощность и очень высокая частота вращения одноступенчатых паровых турбин Лаваля (до 30 000 об/мин у первых образцов) привели к тому, что турбины Лаваля, на раннем этапе турбостроения широко применявшиеся в качестве агрегатов небольшой мощности (до 500 кВт), в дальнейшем уступили место турбинам других типов. Парсонс создал многоступенчатую реактивную паровую турбину. Она отличалась меньшей скоростью вращения, и в то же время в ней максимально использовалась энергия пара. Это достигалось за счет того, что в турбине Парсонса пар расширялся постепенно по мере прохождения через 15 ступеней, каждая из которых представляла собой пару венцов лопаток: один — неподвижный (с направляющими лопатками, закрепленными на корпусе турбины), другой — подвижный (с рабочими лопатками на диске, насаженном на вращающийся вал). Лопатки неподвижных и подвижных венцов были ориентированы в противоположных направлениях, т.е. так, что если бы оба венца были подвижными, то пар заставлял бы их вращаться в разные стороны. Так турбогенератор Парсонса стал первой паровой турбиной, нашедшей применение в промышленности. Реактивная паровая турбина Парсонса некоторое время применялась на военных кораблях, но постепенно уступила место более компактным комбинированным активно-реактивным турбинам. Хотя и в настоящее время паровые турбины сохранили основные черты турбины Парсонса. Первый пароход «Turbinia» с турбинным двигателем был спущен на воду в 1894 году. Русские изобретатели турбин На Алтае, явившемся колыбелью ползуновского парового двигателя, на Сузунском заводе в начале прошлого века работал замечательный «огневых дел» мастер П. М. Залесов. С 1806 по 1813 год на заводе, где он работал, Залесов создал не одну модель паровой турбины. Строителем турбин был и другой изобретатель, П. Д. Кузьминский (1849 — 1900). Работая в области судостроения и воздухоплавания, П. Д. Кузьминский пришел к выводу о нецелесообразности использования паровой машины поршневого типа в качестве судового двигателя. В начале девяностых годов Кузьминский построил и опробовал судовую паровую турбину своей конструкции. Она имела очень малый удельный вес — всего лишь 15 килограммов на лошадиную силу мощности. Кузьминский прекрасно понимал всю трудность технического творчества в условиях, когда отечественные открытия предавались забвению. и писал о новых временах, «…когда открытия и изобретения русского творческого ума и настойчивого труда» будут находить достойное применение. Другие страницы по теме « Паровые двигатели » Паровые двигатели Паровой двигатель И. Ползунова Паровые автомобили Паровые самолеты Пароходы Паровозы Боевая паровая техника Паровая турбина Паровые велосипеды Паровые роботы Мастер паропанка Паровые игрушки Паровоз Черепановых

Производство электроэнергии с использованием паровых турбин

 

Первым зарегистрированным образцом паровой турбины был Эолипил Героя , реакционная турбина, датируемая примерно 60 г. н.э. К сожалению, оригинальных образцов не сохранилось.   Узнать больше о Герое и его устройстве.

Герой Эолипил Общественное достояние

Производство традиционной энергии

Первая практическая система производства электроэнергии с использованием паровой турбины была разработана и изготовлена ​​Чарльзом Парсонсом в 1884 году и использовалась для освещения выставки в Ньюкасле. С тех пор, помимо увеличения размеров, конструкция турбины почти не изменилась, и первоначальная конструкция Парсона сегодня не выглядела бы неуместной. Несмотря на внедрение многих альтернативных технологий за прошедшие 120 лет, более 80 процентов электроэнергии в мире по-прежнему вырабатывается паровыми турбинами, приводящими в движение роторные генераторы.

 

Процессы преобразования энергии

Производство электроэнергии с использованием паровых турбин включает три преобразования энергии: извлечение тепловой энергии из топлива и ее использование для получения пара, преобразование тепловой энергии пара в кинетическую энергию в турбине и использование роторного генератора для преобразования механической энергии турбины в электроэнергия.

 

 

• Восходящий пар (тепловые источники)

Пар в основном получают из источников ископаемого топлива, три из которых показаны на диаграмме выше, но можно использовать любой удобный источник тепла.

• Химическая трансформация

В установках, работающих на ископаемом топливе, пар вырабатывается путем сжигания топлива, в основном угля, а также нефти и газа, в камере сгорания. Недавно эти виды топлива были дополнены ограниченным количеством возобновляемого биотоплива и сельскохозяйственных отходов.

Химический процесс сжигания топлива высвобождает тепло путем химического превращения (окисления) топлива. Это никогда не может быть идеальным. Будут потери из-за примесей в топливе, неполного сгорания и потерь тепла и давления в камере сгорания и котле. Обычно эти потери составляют около 10% доступной энергии топлива.

• Атомная энергетика

Пар для привода турбины также можно получить за счет улавливания тепла, выделяемого при контролируемом ядерном делении. Более подробно это обсуждается в разделе, посвященном ядерной энергетике.

• Солнечная энергия

Точно так же солнечная тепловая энергия может использоваться для производства пара, хотя это менее распространено.

• Геотермальная энергия

Выбросы пара из естественных водоносных горизонтов также используются для приведения в действие паротурбинных электростанций.

 

• Паровая турбина (Первичный двигатель)

  Первые практические паровые турбины были изготовлены Густавом де Лавалем в 1882 году и Чарльзом Парсонсом в 1884 году.

  
  

  Схема паровой импульсной турбины де Лаваля 1882   Пар поступает с одной стороны ротора турбины через сопла, направленные на поверхность лопаток турбины, и выходит с противоположной стороны ротора. Воздействие пара на изогнутые лопатки турбины приводит к вращению ротора турбины.   Скорость вращения 30 000 об/мин.   Первоначальная турбина де Лаваля имела одноступенчатый ротор, который использовался в качестве испытательного стенда для испытания различных количеств и конструкций сопел.   Подробнее о Густав де Лаваль
  Паровая реактивная турбина и электрогенератор Parsons Compound 1884 (Верхняя половина корпуса турбины показана на переднем плане)   Турбина Парсонса была предшественником современных паровых турбин. Он имел несколько ступеней и приводил в действие генератор, также собственной конструкции, установленный на том же валу и производивший 7,5 кВт электроэнергии.   Скорость вращения составляла 18 000 об/мин   Подробнее о Чарльзе Парсонсе	Авторское право на изображение — Музей науки/Библиотека изображений науки и общества
  Ротор паровой реакционной турбины Parsons 1884   Крошечные лопасти на секциях высокого давления ротора и статора имеют площадь всего в четверть дюйма (6 мм). Они были изогнуты в поперечном сечении с заостренной передней кромкой и утолщенной задней частью.   Оригинальные образцы этих турбин находятся в Музее науки в Лондоне и Немецком музее в Мюнхене.	Авторские права на изображения — Музей науки/Библиотека изображений науки и общества

  
  
  • Принцип работы паровой турбины

  Пар высокого давления через набор неподвижных сопел в статоре турбины подается на ротор турбины (рабочее колесо) и проходит вдоль оси машины через несколько рядов попеременно неподвижных и подвижных лопаток. От входного отверстия для пара турбины к точке выпуска лопатки и полость турбины постепенно увеличиваются, чтобы обеспечить расширение пара.

  Лопатки статора на каждой ступени действуют как сопла, в которых пар расширяется и выходит с повышенной скоростью, но с меньшим давлением. Когда высокоскоростной пар воздействует на движущиеся лопасти, он передает часть своей кинетической энергии движущимся лопастям.

   

  Существует два основных типа паровых турбин: импульсные турбины и реактивные турбины, лопасти которых предназначены для управления скоростью, направлением и давлением пара, проходящего через турбину.

   

   

  • Форсунки

  Ключом к достижению высокой эффективности импульсных и реактивных турбин является конструкция сопел. Обычно они имеют сужающуюся-расходящуюся форму (песочные часы), которая увеличивает скорость входящего пара при одновременном снижении его давления. Увеличение скорости пара с помощью расширенного выходного отверстия сопла может показаться нелогичным, поскольку вода течет быстрее через суженную часть ручья или трубы, а при сжатии конца шланга вода выбрасывается длинным, быстрая струя. Это происходит потому, что вода является несжимаемой жидкостью. С другой стороны, пар представляет собой газ, и его объем не фиксирован, а зависит от его температуры и давления. Таким образом, газовая динамика сильно отличается от гидродинамики, однако принцип сохранения энергии по-прежнему верен для обеих жидкостей, а закон Бернулли указывает, что кинетическая энергия газа увеличивается по мере падения энергии давления.

  Эта конструкция расширяющегося сопла была открыта де Лавалем и в равной степени применима к соплам ракетных двигателей, рабочим телом которых являются горячие выхлопные газы. См. Rocket Nozzles для получения дополнительной информации об используемых принципах.

   

  • Импульсные турбины

  Струи пара в импульсной турбине направляются неподвижными соплами на лопасти ротора турбины в форме ковша, где сила, создаваемая струями, заставляет ротор вращаться, в то же время скорость пара снижается, поскольку он придает его кинетическую энергии на лезвия. Лопасти, в свою очередь, меняют направление потока пара, и это изменение импульса соответствует увеличению импульса ротора. (Декарт — Закон сохранения импульса). Весь перепад давления в ступени турбины происходит в неподвижных соплах в статоре, а перепад давления при прохождении пара через лопатки ротора отсутствует, так как поперечное сечение камеры между лопатками постоянно. Поэтому импульсные турбины также известны как турбины постоянного давления.

  Паровые импульсные турбины обычно работают на чрезвычайно высоких скоростях 30 000 об/мин. или больше и, таким образом, подвержены действию огромных центробежных сил. Для большинства практических применений скорость должна быть снижена. Кроме того, конструкция относительно проста, и корпус турбины не обязательно должен быть устойчивым к давлению.

  В составной турбине следующий ряд неподвижных лопастей меняет направление потока перед тем, как он пройдет ко второму ряду лопастей ротора.

   

  • Реакционные турбины

  Как неподвижные, так и роторные лопасти реактивной турбины имеют форму аэродинамических профилей, расположенных таким образом, что поперечное сечение лопастей уменьшается от входной стороны к выпускной стороне лопастей. Это означает, что поперечное сечение паровых каналов между обоими комплектами неподвижных и роторных лопаток увеличивается по всей ступени турбины. Таким образом, оба набора лопастей по существу образуют сопла, так что по мере того, как пар проходит через статор и ротор, его давление уменьшается, что приводит к увеличению его скорости. Ротор становится в основном набором вращающихся сопел.

  Когда пар выходит в виде струи между каждым набором лопастей ротора, он создает реактивную силу на лопастях, которая, в свою очередь, создает вращающий момент на роторе турбины, как в паровой машине Героя. (третий закон Ньютона — на каждое действие есть равное и противоположное противодействие)

  Реактивные турбины, как правило, намного более эффективны, чем импульсные турбины, и работают на более низких скоростях, что означает, что они не обязательно нуждаются в понижающей передаче. Однако они более сложны, а пар высокого давления делает их более восприимчивыми к утечкам между ступенями.

   

  • Составная паровая турбина s

  Составная турбина использует ряд ступеней турбины, в которых пар, выходящий из каждой ступени, подается на следующую ступень. За счет соответствующей формы лопаток ротора и статора, образующих сопла, давление или скорость пара можно снижать постепенно в течение ряда ступеней, а не в одной ступени. Это позволяет использовать очень высокие давления и скорости пара, обеспечивая очень высокую выходную мощность турбины

   

  Компаундирование под давлением

  В компаундировании под давлением используется ряд ступеней реактивной турбины для решения проблемы очень высокой скорости вращения лопастей в одноступенчатых импульсных турбинах. Давление пара падает на каждой ступени по мере того, как он отдает свою энергию давления, в то время как скорость пара остается довольно постоянной, меняя направление по мере прохождения каждой ступени. Поскольку давление пара падает с каждой ступенью турбины, объем пара соответственно увеличивается с каждой ступенью, так что в турбинах большой мощности лопатки и корпус турбины, в свою очередь, должны быть соответственно больше для каждой последующей ступени более низкого давления, чтобы выдержать это более высокое давление. объемный расход.

  Импульсные турбины также составлены аналогичным образом, однако в большинстве турбин используется комбинация импульсных и реактивных ступеней.

   

  Составление скорости
  Соединение скоростей использует ряд ступеней импульсной турбины. Входные сопла направляют высокоскоростной пар на первый набор движущихся лопастей, и, когда пар течет по лопастям, он передает часть своего импульса лопастям, теряя часть скорости, отдавая свою кинетическую энергию движущимся лопастям. При прохождении через неподвижные лопасти скорость пара не меняется. Таким образом, скорость пара уменьшается, когда он проходит через наборы движущихся лопаток турбины, в то время как давление пара остается довольно постоянным на турбине.

   

• Конденсатор

Выхлопной пар из турбины низкого давления конденсируется в воду в конденсаторе, который извлекает из пара скрытую теплоту парообразования. Это приводит к тому, что объем пара становится равным нулю, резко снижая давление до условий, близких к вакууму, тем самым увеличивая перепад давления на турбине, позволяя извлекать из пара максимальное количество энергии. Затем конденсат перекачивается обратно в котел в качестве питательной воды для повторного использования.

Само собой разумеется, что конденсаторные системы нуждаются в постоянной и достаточной подаче охлаждающей воды, которая подается в отдельный контур от градирни, который охлаждает охлаждающую воду конденсатора за счет прямого контакта с воздухом и испарения части охлаждающей воды. в открытой башне.

Водяной пар, вырывающийся из электростанций, представляет собой испаряющуюся охлаждающую воду, а не рабочую жидкость.

 

Турбины с противодавлением, , часто используемые для выработки электроэнергии в обрабатывающей промышленности, без конденсаторов. Также называемые Атмосферные или Неконденсационные турбины, они не тратят впустую энергию пара, выходящего из выхлопных газов турбины, однако вместо этого она направляется для использования в приложениях, требующих большого количества тепла, таких как нефтеперерабатывающие заводы, целлюлозно-бумажные заводы. , опреснительные установки и тепловые пункты. Эти отрасли могут также использовать имеющийся пар для приведения в действие механических приводов насосов, вентиляторов и погрузочно-разгрузочных работ. Котел и турбина, конечно, должны быть рассчитаны на электрическую нагрузку, чтобы компенсировать мощность, отводимую на другие нужды.

 

• Практические машины

Паровые турбины бывают разных конфигураций. Большие машины обычно состоят из нескольких ступеней, чтобы максимизировать передачу энергии от пара.

 

 

Для уменьшения осевых нагрузок на подшипники ротора турбины пар может подаваться в турбину в средней точке вдоль вала, чтобы он протекал в противоположных направлениях к каждому концу вала, таким образом уравновешивая осевую нагрузку.

Выходной пар подается через градирню, через которую проходит охлаждающая вода для конденсации пара обратно в воду.

 

Источник: Правительство Австралии

 

Мощность турбины 1000 МВт и более типична для электростанций.

 

• Паровая турбина как тепловой двигатель

Паротурбинные системы по существу представляют собой тепловые двигатели для преобразования тепловой энергии в механическую путем попеременного испарения и конденсации рабочего тела в процессе в замкнутой системе, известном как цикл Ренкина. Это обратимый термодинамический цикл, в котором к рабочему телу в испарителе подводится тепло, сначала для его испарения, а затем для повышения его температуры и давления. Затем высокотемпературный пар подается через тепловую машину, в данном случае через турбину, где он передает свою энергию лопастям ротора, заставляя ротор вращаться из-за расширения пара при падении его давления и температуры. Пар, выходящий из турбины, затем конденсируется и перекачивается обратно в жидкой форме в качестве сырья в испаритель.
В этом случае рабочей жидкостью является вода, а паром — пар, но этот принцип применим и к другим рабочим жидкостям, таким как аммиак, который можно использовать в низкотемпературных применениях, таких как геотермальные системы. Таким образом, рабочая жидкость в цикле Ренкина движется по замкнутому контуру и постоянно используется повторно.
КПД тепловой машины определяется только разностью температур рабочего тела на входе и выходе из двигателя (закон Карно).

 

Карно показал, что максимально доступный КПД = 1 — T _c / T _h , где T _h — температура рабочей жидкости в градусах Кельвина в ее самом горячем состоянии (после подвода тепла). T _c — его температура в самом холодном состоянии (после отвода тепла).

 

Для достижения максимальной эффективности температура пара, подаваемого на турбину, может достигать 900 °C, а на выходе из турбины используется конденсатор для снижения температуры и давления пара до как можно более низкого значения. превращая его обратно в воду. Конденсатор является важнейшим компонентом, необходимым для максимального повышения эффективности паровой машины за счет максимального увеличения разности температур рабочего тела в машине.


Используя закон Карно, для типичной паротурбинной системы с температурой пара на входе 543°C (816K) и температурой конденсированной воды 23°C (296K) максимальный теоретический КПД можно рассчитать следующим образом:

Эффективность Карно = (816 — 296)/816 = 64%

Но это без учета потерь тепла, трения и давления в системе. Более реалистичным значением КПД паровой турбины было бы около 50 %9.0003

Таким образом, тепловой двигатель несет ответственность за большую часть потерь при преобразовании энергии в системе.

 

Примечание: Сюда относится только преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию на валу турбины. Он не включает потерю КПД в камере сгорания и котле, преобразующем химическую энергию топлива в тепловую энергию пара, а также не включает потери КПД в генераторе, если турбина используется для выработки электроэнергии. Принимая во внимание эти потери, общий КПД преобразования химической энергии топлива на угольных и мазутных электростанциях в электрическую энергию обычно составляет около 33%.

 

См. также Гидравлические турбины, газовые турбины и тепловые двигатели

 

• Электромеханическая передача энергии (генератор)
  Паровая турбина приводит в действие генератор для преобразования механической энергии в электрическую. Обычно это синхронная машина с вращающимся полем. Эти машины более подробно описаны в разделе Генераторы.
  Эффективность преобразования энергии этих генераторов большой мощности может достигать 98% или 99% для очень большой машины.

Примечание: Это означает, что генератор мощностью 1000 МВт должен рассеивать 20 МВт отработанного тепла, и для таких генераторов требуются специальные методы охлаждения.

 

Вспомогательные системы

Помимо основной установки по производству пара и электроэнергии, имеется несколько основных систем автоматического управления и вспомогательных систем, которые необходимы для обеспечения безопасной работы установки с оптимальной производительностью. К ним относятся:

• Согласование выходной мощности с потребностью. Текущие элементы управления
• Поддержание системного напряжения и частоты
• Поддержание компонентов установки в пределах их рабочего давления, температуры и скорости
• Системы смазки
• Подача топлива в камеру сгорания и удаление золы
• Насосы и вентиляторы для подачи воды и воздуха
• Загрязнение. контроль — Отделение вредных продуктов от выхлопных газов сгорания
• Охлаждение генератора
• Оборудование для передачи электроэнергии. Трансформаторы и коммутация высокого напряжения
• Защита от перегрузки, аварийное отключение и сброс нагрузки

 

См. также Генераторы

 

Вернуться к Обзор системы электроснабжения

 

 

 

 

ПАРОВАЯ ТУРБИНА ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НА ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Паровая турбина представляет собой механическое устройство, извлекающее тепловую энергию из пара под давлением и преобразующее ее во вращательное движение. Он почти полностью заменил поршневую паровую машину в первую очередь из-за ее большего теплового КПД и более высокой удельной мощности. Поскольку турбина генерирует вращательное движение, она особенно подходит для привода электрического генератора — около 80% всей выработки электроэнергии в мире приходится на паровые турбины. Паровая турбина представляет собой форму теплового двигателя, термодинамическая эффективность которого во многом достигается за счет использования нескольких стадий расширения пара, что приводит к более близкому приближению к идеальному обратимому процессу.

ТИПЫ ПАРОВЫХ ТУРБИН

1. БЕЗКОНДЕНСАЦИОННЫЕ турбины или турбины с противодавлением наиболее широко используются для технологического пара. Давление на выходе контролируется регулирующим клапаном в соответствии с потребностями давления технологического пара. Они обычно встречаются на нефтеперерабатывающих заводах, тепловых пунктах, целлюлозно-бумажных комбинатах и ​​опреснительных установках, где доступно большое количество технологического пара низкого давления.

2. КОНДЕНСАЦИОННЫЕ турбины чаще всего используются на электростанциях. Эти турбины выбрасывают пар в частично сконденсированном состоянии, как правило, с качеством, близким к 9.0%, при давлении значительно ниже атмосферного в конденсатор.

3. Турбины REHEAT также используются почти исключительно на электростанциях. В турбине с промежуточным перегревом поток пара выходит из секции высокого давления турбины и возвращается в котел, где добавляется дополнительный перегрев. Затем пар возвращается в секцию промежуточного давления турбины и продолжает расширяться.

4. Турбины ВЫТЯЖНОГО типа распространены во всех областях применения. В турбине экстракционного типа пар выпускается из различных ступеней турбины и используется для технологических нужд или направляется в подогреватели питательной воды котлов для повышения эффективности цикла в целом. Потоки экстракции можно контролировать с помощью клапана или оставить без контроля.

5. ИНДУКЦИОННЫЕ турбины используют пар низкого давления на промежуточной ступени для производства дополнительной мощности.

КОМПЛЕКТЫ КОРПУСОВ ИЛИ ВАЛОВ

Эти конструкции включают однокорпусные, тандемные и перекрестные турбины. Блоки с одинарным корпусом представляют собой самый простой тип, в котором один корпус и вал соединены с генератором. Тандемный компаунд используется, когда два или более кожуха напрямую соединены вместе для привода одного генератора. Турбина с перекрестным соединением имеет два или более валов, расположенных не на одной линии, приводящих в движение два или более генераторов, которые часто работают с разными скоростями. Турбина с перекрестным соединением обычно используется во многих крупных приложениях.

ПРИНЦИП РАБОТЫ И КОНСТРУКЦИЯ

Идеальной паровой турбиной считается изоэнтропический процесс или процесс с постоянной энтропией, в котором энтропия пара, поступающего в турбину, равна энтропии пара, выходящего из турбины. Однако ни одна паровая турбина не является по-настоящему «изэнтропической» с типичной изэнтропической эффективностью в диапазоне от 20% до 90% в зависимости от применения турбины. Внутренняя часть турбины состоит из нескольких наборов лопастей, или «ковшей», как их чаще называют. Один набор неподвижных лопастей соединен с кожухом, а другой набор вращающихся лопастей соединен с валом. Наборы соединяются с определенными минимальными зазорами, при этом размер и конфигурация наборов варьируются для эффективного использования расширения пара на каждой ступени.

ИМПУЛЬСНАЯ ТУРБИНА

Импульсная турбина имеет фиксированные сопла, которые направляют поток пара в высокоскоростные струи. Эти струи содержат значительную кинетическую энергию, которую лопасти ротора, имеющие форму ковша, преобразуют во вращение вала при изменении направления струи пара. Падение давления происходит только на стационарных лопастях с чистым увеличением скорости пара на ступени. Когда пар проходит через сопло, его давление падает с входного давления до выходного давления (атмосферное давление или, чаще, вакуум в конденсаторе). Благодаря этому более высокому коэффициенту расширения пара в сопле пар покидает сопло с очень высокой скоростью. Пар, выходящий из движущихся лопастей, имеет большую часть максимальной скорости пара при выходе из сопла. Потери энергии из-за этой более высокой скорости на выходе обычно называют «скоростью переноса» или «потерями на выходе».

РЕАКЦИОННАЯ ТУРБИНА

В реактивной турбине сами лопасти ротора образуют сужающиеся сопла. Этот тип турбины использует силу реакции, возникающую при ускорении пара через сопла, образованные ротором. Пар направляется на ротор неподвижными лопатками статора. Он выходит из статора в виде струи, заполняющей всю окружность ротора. Затем пар меняет направление и увеличивает свою скорость относительно скорости лопастей. Падение давления происходит как на статоре, так и на роторе, при этом пар ускоряется на статоре и замедляется на роторе, без чистого изменения скорости пара на ступени, но со снижением как давления, так и температуры, что отражает работу, выполняемую в ступени. привод ротора.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТУРБИНЫ

Чтобы максимизировать эффективность турбины, пар расширяется, производя работу, в несколько стадий. Эти ступени характеризуются тем, как из них извлекается энергия, и известны как импульсные или реактивные турбины. В большинстве паровых турбин используется смесь реактивной и импульсной конструкции: каждая ступень ведет себя либо по одному, либо по другому, но в целом турбина использует оба. Как правило, секции более высокого давления относятся к импульсному типу, а ступени более низкого давления относятся к реакционному типу.

ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ

При прогреве паровой турбины для использования главные запорные клапаны пара (после котла) имеют байпасную линию, позволяющую перегретому пару медленно обходить клапан и переходить к нагреву линий в система вместе с паровой турбиной. Также включается поворотный механизм, когда в турбину не подается пар, чтобы медленно вращать турбину, чтобы обеспечить равномерный нагрев и предотвратить неравномерное расширение. После первого вращения турбины с помощью поворотного механизма, что дает время для того, чтобы ротор принял прямую плоскость (без изгиба), затем поворотный механизм отключается, и пар подается в турбину, сначала к задним лопастям, а затем к передним лопастям. вращая турбину со скоростью от 10 до 15 об / мин, чтобы медленно прогреть турбину.

Проблемы с турбинами теперь редки, а требования к техническому обслуживанию относительно невелики. Любой дисбаланс ротора может привести к вибрации, что в крайних случаях может привести к тому, что лопасть оторвется и пробьет корпус. Однако необходимо, чтобы турбина вращалась сухим паром. Если вода попадает в пар и попадает на лопасти (перенос влаги), может произойти быстрое столкновение и эрозия лопастей, что может привести к дисбалансу и катастрофическому отказу. Кроме того, попадание воды на лопатки может привести к разрушению упорного подшипника вала турбины. Для предотвращения этого, наряду с регуляторами и отражателями в котлах для обеспечения высокого качества пара, в паровых трубопроводах, ведущих к турбине, устанавливаются конденсатоотводчики.

РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ

Управление турбиной с помощью регулятора имеет важное значение, поскольку турбины должны запускаться медленно, чтобы предотвратить повреждение, а некоторые приложения (такие как производство электроэнергии переменного тока) требуют точного управления скоростью. Неконтролируемое ускорение ротора турбины может привести к аварийному отключению, что приведет к закрытию сопловых клапанов, управляющих подачей пара к турбине. Если это не удается, турбина может продолжать разгоняться до тех пор, пока не сломается, часто эффектно. Турбины дороги в изготовлении, требуют прецизионного изготовления и материалов особого качества. При нормальной работе, синхронизированной с сетью электроэнергии, электростанции регулируются с пятипроцентным регулированием скорости вращения. Это означает, что скорость при полной нагрузке составляет 100 %, а скорость без нагрузки — 105 %. Это требуется для стабильной работы сети без рывков и отключений силовых установок. Обычно изменения скорости незначительны. Регулировка выходной мощности осуществляется путем медленного увеличения кривой спада за счет увеличения давления пружины на центробежном регуляторе. Как правило, это основное системное требование для всех электростанций, потому что старые и новые станции должны быть совместимы в ответ на мгновенные изменения частоты, не завися от внешней связи.

ПРЯМОЙ ПРИВОД

Электростанции используют большие паровые турбины, приводящие в движение электрические генераторы, для производства большей части (около 80%) электроэнергии в мире. Большинство этих централизованных станций относятся к двум типам: электростанции, работающие на ископаемом топливе, и атомные электростанции, но в некоторых странах для производства пара используется концентрированная солнечная энергия (CSP). Паровые турбины также можно использовать непосредственно для привода больших центробежных насосов, таких как насосы питательной воды на тепловых электростанциях. Было предложено, чтобы при наличии достаточного количества солнечной энергии кремний можно было бы очистить для использования в качестве замены угля для этого типа двигателя.

Турбины, используемые для выработки электроэнергии, чаще всего напрямую связаны со своими генераторами. Поскольку генераторы должны вращаться с постоянной синхронной скоростью в соответствии с частотой энергосистемы, наиболее распространенными скоростями являются 3000 об/мин для систем с частотой 50 Гц и 3600 об/мин для систем с частотой 60 Гц. В установках с высокой паропроизводительностью, таких как атомные электростанции, генераторные установки могут работать на половине этих скоростей, но с четырехполюсными генераторами.

Паровые турбины для выработки электроэнергии

Паровая турбина — это специально разработанное механическое устройство, которое преобразует пар высокого давления в механическую энергию, которую можно использовать для вращения лопастей для выработки электроэнергии с помощью генератора. Паровые турбины широко используются в промышленности и на электростанциях благодаря высокому КПД преобразования энергии. В современной промышленности и на электростанциях применяются высокоэффективные паровые турбины, которые используются в многоступенчатом режиме и могут достигать КПД до 70 процентов (и даже до 9 процентов).0 процентов в промышленности).

Большинство паровых турбин интегрированы с котлом, в котором сжигается ископаемое топливо для производства пара высокого давления. Паровые турбины используют тепло пара высокого давления для вращения с очень высокой скоростью. Они более компактны и энергоэффективны, чем паровые двигатели, и поэтому заменяют обычные паровые двигатели в различных приложениях.

Как паровая турбина вырабатывает электроэнергию?

Для работы паровой турбины требуется источник тепловой энергии. Тепловая энергия за счет сжигания ископаемого топлива и ядерная энергия являются распространенными источниками энергии. Здесь необходимо понимать концепцию максимальной теплопередачи.

Скрытая теплота парообразования

Количество энергии, которое необходимо затратить, чтобы раздвинуть молекулы воды на большое расстояние и превратить кипящую воду в пар или горячий газ.

Скрытая теплота воды равна 2,2 кДж, то есть 2,2 кДж энергии требуется для превращения 1 кг воды в 1 кг пара при температуре 100°С.

Вы когда-нибудь сталкивались с тем, что ожог кожи паром более болезненный, чем ожог горячей водой? Почему пар больше вредит коже? Причина в том, что пар содержит больше тепла, чем горячая вода.

Когда пар высокого давления проходит через вход, он ударяется о вращающиеся лопатки турбины, расширяется и охлаждается, передавая большую часть своей энергии. Это заставляет лопасти турбины непрерывно вращаться, превращая большую часть потенциальной энергии пара в кинетическую энергию. Кинетическая энергия используется для непрерывного вращения генератора.

Пар расширяется и отдает все свое тепло в виде кинетической энергии лопатке турбины в идеальном случае, но на практике это невозможно из-за различных потерь. Набор лопаток турбины известен как ступень.

Лопасти паровой турбины сконструированы таким образом, что они контролируют скорость, направление и давление пара, когда он проходит через турбину. В зависимости от размера и области применения к ротору крепятся различные наборы лопастей. Каждый набор лопастей в значительной степени отвечает за извлечение энергии, поддерживая давление на оптимальном уровне. В многоступенчатых турбинах лопатки снижают давление пара на очень небольшую величину на каждой ступени. Таким образом, паровая турбина является высокоэффективной турбиной.

Типы паровых турбин:

Существует два основных типа турбин

1.

Импульсная турбина

Вращающиеся лопасти чашеобразной формы. Когда струя пара под высоким давлением попадает на лопасть, она создает крутящий момент за счет серии импульсов, заставляющих вращаться турбину.

2. Реакционная турбина

Между вращающимися лопастями к валу ротора в корпусе турбины прикреплен второй комплект неподвижных лопастей. Такая конфигурация конструкции помогает повысить скорость и направить пар на вращающиеся лопасти под правильным углом для максимального воздействия. Пар выходит с пониженной температурой и давлением, но почти с той же скоростью, что и вошел.

Детали паровой турбины:

1. Ротор

Ротор представляет собой ось, которая проходит через центральную ось и преобразует тепловую энергию во вращение.

2. Лопасти

Лопасти являются важными частями турбины, отвечающими за улавливание тепла пара.

3. Впускной патрубок

Впускной патрубок подает струю пара высокого давления в корпус турбины.