Как работает паровая турбина: Паровая турбина — урок. Физика, 8 класс.

принцип работы, основные элементы, виды паровых турбин

 Принцип работы паровой турбины

Перед тем, как говорить о паровой турбине, мы должны понять, что же такое паровая турбина.

Паровая турбина — это силовой двигатель, в котором происходит превращение потенциальной энергии пара в кинетическую, в дальнейшем преобразуемую в механическую энергию, создающую вращение вала.

Чтобы понять, как работает паровая турбина, важно разобраться с ее строением. Итак, паровая турбина состоит из 2-х основных частей:

• подвижной — ротора с лопатками;
• и неподвижной — статора с соплами.

Основной частью турбины является ротор, состоящий из вала, рабочего колеса, на котором крепятся рабочие лопатки изогнутой формы. Также имеется сопло перед диском с лопатками, из которого поступает пар на рабочие лопатки турбины.

В подвижной части турбины происходит преобразование потенциальной энергии сжатого и нагретого водяного пара в кинетическую. Пар через направляющие поступает на лопатки, закрепленные по окружности ротора, и воздействует на них, приводя ротор во вращение.

Для понимания принципа работы паровой турбины нужно рассмотреть работу теплоэлектростанции. 

Паровая турбина сама по себе не работает. Для ее функционирования нужен пар. Теплоэлектростанция начинается с котла, в котором происходит горение топлива, отдавая жар трубам с водой. В тонких трубах дистиллированная вода превращается в пар.

На вход в турбину подается пар с очень высокой температурой и под большим давлением (от 1,2 МПа до 22,5 МПа и выше).

Пар имеет температуру 550—560 °C. Такая большая температура позволяет расширяться пару и сохранять скорость его потока.

КПД паровой турбины

КПД паровой турбины находится в прямой зависимости от ее собственного размера и от температуры пара. КПД растет при увеличении размера паровой турбины и при повышении температуры пара.

КПД паровой турбины колеблется от 20 до 40 %.

Для повышения КПД на многих электростанциях тепло, которое отбирается от паровой турбины, используется для нагревания воды. Горячая вода поступает в систему промышленного и бытового теплоснабжения.

Классификация и виды паровых турбин

Паровые турбины по характеру теплового процесса делятся на три вида:

• конденсационные;
• теплофикационные;
• теплофикационные с промышленным отбором пара;
• противодавленческие.

Конденсационные турбины называются так потому, что работают они с выпуском отработавшего пара в конденсатор. Бывают стационарными и транспортными. Такие турбины являются самыми распространенными. Они имеют маркировку «К». 

Конденсаторные паровые турбины используются для выработки электричества. Такие турбины ставят на ГРЭС. 

Стационарные паровые турбины используют на электрических станциях, транспортные — в качестве двигателей на морских судах. 

Теплофикационные турбины одновременно дают как электрическую, так тепловую энергию. Имеют маркировку «Т». Устанавливаются обычно на ТЭЦ, где помимо выработки электрической энергии они получают тепловую энергию для отопления и горячего водоснабжения. Теплофикационные турбины бывают 3-х видов:

• с регулируемым отбором пара;
• с противодавлением;
• с отбором и противодавлением.

Теплофикационные турбины с отбором пара имеют маркировку «ПТ». В таких турбинах часть пара уходит на поддержание стороннего производства (фабрики, завода). Пар может обратно возвращаться на электростанцию в виде конденсата или полностью теряться. 

Теплофикационные турбины летом могут работать в конденсационном режиме. 

Турбины с противодавлением имеют маркировку «Р». В таких турбинах отсутствует конденсатор. Отработанный пар используют для варки, сушки и отопления, а также для поддержания другого производства. 

На турбинах с противодавлением и отбором часть пара отводится, а отработанный — из выпускного патрубка поступает в отопительную систему или к сетевым подогревателям.

Мощность паровых турбин

Номинальная мощность турбины — это наибольшая мощность турбины, которую она может развивать длительное время. 

Экономическая мощность турбины — это мощность турбины, которую она может выдавать при максимальной экономичности. 

Таблица мощности паровой турбины в зависимости от КПД:

Мощность турбины, кВт	5	50	500	1000	2000	5000	10000	25000	50000	100000
КПД турбины	0,20	0,41	0,66	0,725	0,77	0,80	0,82	0,83	0,845	0,865

Мощность паровой турбины зависит от температуры пара и от поданного давления на лопасти турбины.

сравнение устройства и принципа действия установок и их обслуживание

Газовая турбина работает на мощности входящего воздуха, который не меняет своего агрегатного состояния на протяжении всего периода функционирования. Для работы турбины необходимы дополнительные устройства, которые в сборе образуют газотурбинную установку.

Основные элементы газотурбинной установки:

• Компрессор
• Воздухопровод
• Камера сгорания
• Форсунки для подачи топлива
• Газовая турбина, которая состоит из вращающегося вала и лопаток, соединенных диском и статора с лопастями – неподвижного корпуса
• Генератор энергии
• Патрубок

Рабочее тело турбины, то есть воздух, набирается в компрессор, сжимается и по трубам поступает в камеру сгорания.

Одновременно туда подается горючее (природный газ) и смешивается с воздухом.

После горения продукты этого процесса перемещаются на лопасти статора.

Там рабочий поток ускоряется и направляется на пластины вала. Под воздействием давления расширенного раза лопатки приводят в движение ротор, соединенный с генератором. Начинается процесс создания энергии.

Отработанный газ выходит из системы по патрубку.

Паровая и газовая турбины имеют одно принципиальное отличие – рабочее тело. В паровой установке это вода, которая попадает на лопатки в состоянии пара.

В соответствии с этим меняется конструкция камеры сгорания и удаляется компрессор. В данной установке они заменяются на котел, в котором горит топливо и нагревает трубы с водой.

Сама турбина состоит из ротора и статора, как и газовая. Вал соединен с энергогенератором и вращается со скоростью 1,5 – 3 тысячи оборотов в минуту.

Паровые агрегаты для работы могут использовать выходящее тепло различных предприятий (пар, выхлопы и др. ).

Процесс создания энергии повторяет работу газовой турбины: рабочее тело вращает лопатки и вал, чем приводится в движение генератор энергии.

Паровая и газовая турбины работают в тяжелых условиях эксплуатации. Их узлы и механизмы подвергаются воздействию экстремальных температур и нагрузок, поэтому нуждаются в защите.

С этой целью на этапе производства деталей применяют специальные материалы, которые обладают высокими смазочными и антикоррозионными свойствами, облегчают монтаж и демонтаж элементов.

На крепежные детали, хвостовики лопаток, подшипники скольжения, ходовые винты, прессовые посадки, конденсатоотводчики наносят антифрикционные твердосмазочные покрытия MODENGY 1001, MODENGY 1002, MODENGY 1005, MODENGY 1014.

После ввода в эксплуатацию турбины периодически осматриваются, проверяются показания приборов, очищаются загрязненные элементы.

Важным этапом обследования установки является ее прослушивание на предмет посторонних шумов. Появление металлических стуков или необычных звуков говорит о проблемах в работе агрегата.

Контроль вибрационного состояния турбины заключается в измерении амплитуды вибраций подшипников. На новых турбинах его проводят раз в месяц, в турбинах с удовлетворительным состоянием – раз в 2 недели.

Необходимо своевременно заменять изношенные элементы, такие как уплотнения, диафрагмы. При работе турбины с поврежденными частями значительно снижается КПД всей установки.

Срок службы лопаток сокращается из-за загрязнений, поэтому важно их удалять неабразивным материалом.

Сравнение паровых и газовых установок по различным критериям:

• КПД : паровой – 35-45 %, газотурбинной – около 30-35 %
• Время запуска: паровой – от нескольких часов до нескольких суток, газовой – от 15 минут
• Габариты: газовая установка значительно компактнее за счет отсутствия систем паропроводов, конденсаторов и прочего вспомогательного оборудования
• Рабочее топливо: в газовой – природный газ или керосин, в паровой – мазут, твердое топливо
• Экологичность: газовые турбины образуют намного меньше вредных выбросов
• Области применения: паровой – стационарные энергетические станции, газовой – микротурбинные установки, двигатели судов и самолетов, энергетические станции и др.
• Температура рабочего тела: газ нагревается намного сильнее, что требует использования жаростойких и жаропрочных материалов при изготовлении газовой турбины (температура на входе около 550 °С)

Достижением современного турбиностроения является объединение преимуществ паровых и газовых двигателей для создания парогазовой установки. В ее конструкцию устанавливается два двигателя: паросиловой и газотурбинный. Их применение позволяет значительно увеличить КПД (до 60 процентов) за счет использования отработанных веществ газовой турбины для нагрева котла паросиловой установки.

Для современных ТЭС, расположенных в черте города, более применимы парогазовые установки, так как они малошумны и  экологичны, имеют пониженную стоимость единицы создаваемой энергии.

Была ли полезна статья?

Рейтинг: 3 (2 оценки)

Что такое паровая турбина и как она работает?

Паровая турбина была важным компонентом в процессах, связанных с производством энергии. Поскольку общество все больше и больше вовлекается в рассмотрение того, как создается энергия, а также устойчивость и эффективность процесса, решение вопроса «что такое паровая турбина» и как эту технологию можно улучшить, становится важным.

Позвольте нам провести вас через краткий, но содержательный путеводитель по паровой турбине: что это за компонент, его функции и разработки в паровой турбине, которые способствуют повышению эффективности.

Что такое паровая турбина? Определение

Паровая турбина представляет собой машину, относящуюся к категории тепловой машины, способную извлекать тепловую энергию из пара и преобразовывать ее во вращательные движения.

Современная версия паровой турбины была изобретена Чарльзом Парсонсом в 1884 году и основана на принципах термодинамического КПД с упором на различные стадии расширения пара.

Какова функция паровой турбины?

Паровая турбина стала ключевым компонентом в производстве энергии. Как было сказано выше, паровая турбина преобразует энергию пара в пар во вращательное движение. В сочетании с генератором это затем преобразуется в электричество.

Паровые турбины используются в ключевых процессах производства энергии, включая тепловые электростанции и схемы централизованного охлаждения.

Распространенность этого типа производства энергии можно измерить, взглянув на перспективы его рыночной стоимости: в отчете Global News Wire о рынке паровых турбин прогнозируется совокупный годовой темп роста (CAGR) для этого рынка на уровне 4,41% с 2022 по 2026 год.

Как работает паровая турбина?

• Паровая турбина использует источник тепла для нагрева воды и преобразования ее в пар. Эти источники тепла варьируются от газа, угля до атомной или солнечной энергии
.
• Молекулы воды расширяются благодаря этому процессу
Затем
• пар проходит через лопасти турбины, которые за счет вращения превращают тепловую энергию пара в кинетическую энергию. Лопасти способны контролировать скорость, направление и давление пара. Следуя структуре, в которой постепенно делаются только небольшие приращения, это означает, что турбины могут снижать давление пара и, таким образом, улучшать электрическую мощность и эффективность
• Паровая турбина
  подключена к генератору, отвечающему за производство электрического тока

КПД паровой турбины

Вообще говоря, термин КПД турбины описывает соотношение получаемой электрической мощности по сравнению с требуемой подводимой мощностью источника тепла. В контексте роста цен на источники тепла (такие как природный газ), а также повышенного внимания к устойчивости нельзя недооценивать эффективность паровых турбин.

Короче говоря, более высокая эффективность турбины снижает эксплуатационные расходы и оказывает меньшее воздействие на окружающую среду.

Четкое понимание формулы КПД турбины остается важным инструментом для операторов, стремящихся снизить расход топлива и повысить рентабельность. Учитывая, что затраты на топливо не зависят ни от одного оператора, ключевым моментом остается рассмотрение эффективности турбины.

Температурный режим также является ценной информацией для операторов. Этот показатель связывает электростанции со значениями теплового КПД и сравнивает количество тепла, способного произвести 1 киловатт-час (кВтч) электроэнергии. Он обратно пропорционален КПД электростанции и связан с тремя ключевыми понятиями: выходной электрической мощностью, условиями эксплуатации и конструкцией электростанции.

Повышение теплопроизводительности может принимать разные формы и формы, и одной из них является повышение производительности паровой турбины. Опять же, эта стратегия рассматривает выходную мощность турбины по сравнению с используемыми ресурсами для измерения эффективности.

Ключевые разработки в этой области включают в себя включение конструкций парогенератора-утилизатора тепла (HRSG) и решений для охлаждения воздуха на входе в турбину (TIAC) ​​в сочетании с аккумулированием тепловой энергии (TES), последнее особенно важно в местах с экстремальными погодными условиями.

Типы паровых турбин

Существуют различные критерии, которыми можно руководствоваться при классификации паровых турбин. К ним относятся, среди прочего, методы строительства, размеры или рабочее давление. Ниже приведены две основные классификации:

Импульсные и реактивные турбины

• Импульсные турбины работают на основе перегретого пара, проходящего через лопатки турбины с высокими скоростями, создавая вращательное движение и кинетическую энергию в турбине. это 9Тип 0003 турбины допускает большие перепады давления на отдельные ступени, так что можно рассматривать меньшее количество ступеней. Это, в свою очередь, способствует повышению эффективности на низких скоростях.
• Работа реактивных турбин основана на прохождении пара от неподвижных лопастей к формованным соплам лопастей ротора, что вызывает реакцию и вращение вала турбины. Это оборудование, изобретенное сэром Чарльзом Парсонсом и также известное как турбина Парсонса, работает с паром, расширившимся на предыдущих этапах через неподвижное сопло.
  Это преобразует потенциальную энергию в кинетическую энергию, поскольку пар сталкивается с лопастями и подвергается дальнейшему расширению, что в результате приводит к вращению роторов. Таким образом, перепады давления происходят на разных стадиях, потому что перепады давления на каждой ступени ниже. В результате пар, который достигает турбины, представляет собой более низкое давление и температура , чтобы можно было достичь наилучшей эффективности. Помимо более высокой эффективности, еще одно ключевое отличие импульсных турбин заключается в том, что реакционному оборудованию обычно требуется большее количество рядов лопаток для выработки той же тепловой энергии, что влияет на больший размер и вес реактивных турбин .

Конденсационные и неконденсационные турбины

• Конденсационные турбины работают за счет конденсации пара для достижения давления ниже атмосферного. Цель состоит в том, чтобы увеличить количество энергии, которую можно получить.
• Неконденсационные турбины, с другой стороны, работают с паром под давлением выше атмосферного. Это означает, что пар затем можно использовать для нагрева, прежде чем он станет частью водяного котла.

Целью нашего краткого руководства было дать четкий ответ на вопрос «что такое паровая турбина» и кратко описать, какова функция этого оборудования и как оно занимает центральное место в некоторых современных приложениях.

Сюда входят решения для централизованного энергоснабжения, подход к отоплению и охлаждению, который способствует переходу к устойчивости и эффективности.

С точки зрения экспертов в области новаторских решений в области энергетики, компания ARANER находится в авангарде разработки эффективного оборудования для централизованного теплоснабжения, которое включает в себя последние разработки в области технологий паровых турбин.

Загрузите нашу бесплатную электронную книгу о районной энергетике, чтобы узнать больше о роли паровых турбин в таких инициативах по выработке энергии, или свяжитесь с нами, чтобы поговорить с нашей командой.

Как работает паровая турбина?

Как работает паровая турбина?

Тепловая энергия , содержащаяся в паре , преобразуется в механическую энергию расширением через турбину . Расширение происходит за счет ряда неподвижных лопастей (сопел), которые направляют поток пара на высокоскоростных форсунок . Эти струи содержат значительную кинетическую энергию, которая преобразуется во вращение вала лопастями ротора ковшеобразной формы, когда паровая струя меняет направление (см.: Закон изменения количества движения). Струя пара, движущаяся по криволинейной поверхности лопасти, оказывает давление на лопасть за счет своей центробежной силы. Каждый ряд неподвижных сопел и подвижных лопастей называется

этап . Лопасти вращаются на роторе турбины, а неподвижные лопасти концентрически расположены внутри круглого корпуса турбины.

Во всех турбинах скорость вращения лопасти пропорциональна скорости пара , проходящего через лопасть. Если пар расширяется только в одной ступени от давления в котле до давления выхлопа, его скорость должна быть чрезвычайно высокой. А вот типичная главная турбина АЭС, в которой пар расширяется от давления около 6 МПа до давления около 0,008 МПа , работает на скоростях около 3000 об/мин для систем 50 Гц для 2-полюсного генератора (или 1500 об/мин для 4-полюсного генератора) и 1800 об/мин для систем 60 Гц для 4-полюсного генератора ( или 3600 об/мин для 2-полюсного генератора). Для однолопастного кольца потребуются очень большие лопасти и около 30 000 об/мин, что слишком много для практических целей.

Поэтому на большинстве атомных электростанций используется одновальный турбогенератор , состоящий из одного многоступенчатая турбина высокого давления и три параллельные многоступенчатые турбины низкого давления , главный генератор и возбудитель. Турбина HP обычно представляет собой двухпоточную реактивную турбину с примерно десятью ступенями с экранированными лопатками и производит около 30-40% полной выходной мощности блока электростанции. Турбины LP обычно представляют собой двухпоточные реактивные турбины примерно с 5-8 ступенями (с экранированными лопатками и с отдельно стоящими лопатками последних трех ступеней). Турбины низкого давления производят примерно 60-70% полной мощности энергоблока. Каждый ротор турбины установлен на двух подшипниках, т. е. между каждым модулем турбины установлены двойные подшипники.

В этих турбинах ступень высокого давления получает пар (этот пар близок к насыщению – x = 0,995 – точка C на рисунке; ​​ 6 МПа ; 275,6°C) от парогенератора и выбрасывает его в влагоотделитель- подогреватель (точка D). Пар должен быть подогрет повторно, чтобы избежать повреждений, которые могут быть нанесены лопаткам паровой турбины некачественным паром. Подогреватель нагревает пар (точка D), а затем пар направляется на ступень низкого давления паровой турбины, где он расширяется (точки E-F). Отработавший пар затем конденсируется в конденсаторе при давлении значительно ниже атмосферного (абсолютное давление 0,008 МПа ) и находится в частично сконденсированном состоянии (точка F), обычно с качеством около 90%. Схема паровой турбины типичного PWR мощностью 3000 МВт.

Турбина Рато – паровая турбина с компаундированием под давлением. Источник wikipedia.org Лицензия: CC BY-SA 3.0 Цикл Ренкина — Ts-диаграмма

 

Преимущества и недостатки паровых турбин

Преимущества

• Поскольку паровая турбина представляет собой роторную тепловую машину, она особенно подходит для привода электрический генератор.
• Тепловой КПД паровой турбины обычно выше, чем у поршневого двигателя.
• Очень высокая удельная мощность по сравнению с поршневыми двигателями.
• Меньше движущихся частей, чем в поршневых двигателях.
• Паровые турбины подходят для крупных тепловых электростанций. Они изготавливаются различных размеров, вплоть до турбин мощностью до 1,5 ГВт (2 000 000 л.с.), используемых для выработки электроэнергии.
• Обычно пар содержит большое количество энтальпии (особенно в виде теплоты парообразования). Это подразумевает более низкие массовые расходы по сравнению с газовыми турбинами.
• Как правило, турбина движется только в одном направлении с гораздо меньшей вибрацией, чем поршневой двигатель.
• Паровые турбины более надежны, особенно в тех случаях, когда требуется устойчивая высокая выходная мощность.

Недостатки

Хотя около 90% всей электроэнергии в мире производится с помощью паровых турбин, они также имеют некоторые недостатки.

• Относительно высокая стоимость за ночь.
• Паровые турбины менее эффективны, чем поршневые двигатели при частичной нагрузке.
• У них более длительный запуск, чем у газовых турбин и, конечно, у поршневых двигателей.
• Менее чувствительны к изменениям в энергопотреблении по сравнению с газовыми турбинами и поршневыми двигателями.

 

Ссылки:

Реакторная физика и теплогидравлика:

1. Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
2. Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную технику, 3-е изд., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
3. WM Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
4. Гласстоун, Сесонске. Разработка ядерных реакторов: разработка реакторных систем, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
5. Тодреас Нил Э., Казими Муджид С. Ядерные системы, том I: Основы термогидравлики, второе издание. CRC-пресс; 2 выпуск, 2012 г., ISBN: 978-0415802871
6. Зоури Б., Макдэниел П. Термодинамика в системах атомных электростанций. Спрингер; 2015 г., ISBN: 978-3-319-13419-2
7. Моран Михал Дж., Шапиро Ховард Н. Основы инженерной термодинамики, пятое издание, John Wiley & Sons, 2006 г., ISBN: 978-0-470-03037-0
8. Кляйнстройер К. Современная гидродинамика. Спрингер, 2010 г., ISBN 978-1-4020-8670-0.
9. Министерство энергетики США, ТЕРМОДИНАМИКА, ТЕПЛОПЕРЕДАЧА И ПОТОК ЖИДКОСТИ.

   No related posts.