Паровая турбина определение: Паровые турбины

Ветряные турбины возле Техачапи, Калифорния.

Турбины можно разделить на четыре основных типа в зависимости от используемых жидкостей: вода, пар, газ и ветер. Хотя одни и те же принципы применимы ко всем турбинам, их конкретные конструкции достаточно различаются, чтобы заслужить отдельное описание.

Гидравлическая турбина использует потенциальную энергию, возникающую в результате разницы в высоте между верхним водным резервуаром и уровнем воды на выходе из турбины (отводящий трубопровод), для преобразования этого так называемого напора в работу.Водяные турбины — современные преемники простых водяных колес, которым около 2000 лет. Сегодня гидротурбины в основном используются для производства электроэнергии.

Однако наибольшее количество электроэнергии вырабатывается паровыми турбинами, соединенными с электрогенераторами. Турбины приводятся в действие паром, вырабатываемым либо в генераторе, работающем на ископаемом топливе, либо в атомном генераторе. Энергия, которую можно извлечь из пара, удобно выражать через изменение энтальпии в турбине.Энтальпия отражает формы тепловой и механической энергии в процессе потока и определяется суммой внутренней тепловой энергии и произведением давления на объем. Доступное изменение энтальпии через паровую турбину увеличивается с увеличением температуры и давления парогенератора и с уменьшением давления на выходе из турбины.

Для газовых турбин энергия, извлекаемая из текучей среды, также может быть выражена через изменение энтальпии, которое для газа почти пропорционально перепаду температуры в турбине.В газовых турбинах рабочим телом является воздух, смешанный с газообразными продуктами сгорания. Большинство газотурбинных двигателей включает, по крайней мере, компрессор, камеру сгорания и турбину. Обычно они монтируются как единое целое и работают как законченный первичный двигатель в так называемом открытом цикле, когда воздух всасывается из атмосферы, а продукты сгорания, наконец, снова выбрасываются в атмосферу. Поскольку успешная работа зависит от интеграции всех компонентов, важно рассматривать устройство в целом, которое на самом деле является двигателем внутреннего сгорания, а не только турбиной.По этой причине газовые турбины рассматриваются в статье двигатель внутреннего сгорания.

Энергия ветра может быть извлечена ветровой турбиной для производства электроэнергии или для откачки воды из скважин. Ветряные турбины являются преемниками ветряных мельниц, которые были важным источником энергии с позднего средневековья до XIX века.

Водяные турбины обычно делятся на две категории: (1) импульсные турбины, используемые для высокого напора воды и низкого расхода, и (2) реактивные турбины, обычно используемые для напора ниже примерно 450 метров и среднего или высокого расхода.Эти два класса включают в себя основные типы, обычно используемые, а именно, импульсные турбины Пелтона и реактивные турбины типа Фрэнсис, пропеллер, Каплана и Дериаза. Турбины могут быть оборудованы как горизонтальными, так и, чаще, вертикальными валами. Для каждого типа возможны широкие вариации конструкции для соответствия конкретным местным гидравлическим условиям. Сегодня большинство гидравлических турбин используются для выработки электроэнергии на гидроэлектростанциях.

Турбины импульсные

В импульсной турбине потенциальная энергия или напор воды сначала преобразуется в кинетическую энергию путем выпуска воды через сопло тщательно продуманной формы.Струя, выбрасываемая в воздух, направляется на изогнутые ведра, закрепленные на периферии бегунка, для извлечения энергии воды и преобразования ее в полезную работу.

Современные импульсные турбины основаны на конструкции, запатентованной в 1889 году американским инженером Лестером Алленом Пелтоном. Свободная водная струя попадает в лопатки турбины по касательной. Каждый ковш имеет высокий центральный гребень, так что поток разделяется, оставляя желоб с обеих сторон. Колеса Пелтона подходят для высоких напоров, обычно выше 450 метров при относительно низком расходе воды.Для максимальной эффективности скорость конца рабочего колеса должна составлять примерно половину скорости ударной струи. КПД (работа, производимая турбиной, деленная на кинетическую энергию свободной струи) может превышать 91 процент при работе с 60–80 процентами полной нагрузки.

Мощность одного колеса можно увеличить, используя более одного жиклера. Для горизонтальных валов характерны двухструйные устройства. Иногда на одном валу устанавливаются два отдельных бегунка, приводящих в движение один электрогенератор. Агрегаты с вертикальным валом могут иметь четыре или более отдельных форсунок.

Если электрическая нагрузка на турбину изменяется, ее выходная мощность должна быть быстро отрегулирована в соответствии с потребностями. Это требует изменения расхода воды, чтобы поддерживать постоянную скорость генератора. Скорость потока через каждое сопло регулируется расположенным в центре наконечником или иглой аккуратной формы, которая скользит вперед или назад под управлением гидравлического серводвигателя.

Правильная конструкция иглы гарантирует, что скорость воды, выходящей из сопла, остается практически неизменной независимо от отверстия, обеспечивая почти постоянную эффективность в большей части рабочего диапазона.Нецелесообразно внезапно уменьшать поток воды, чтобы соответствовать уменьшению нагрузки. Это может привести к разрушительному скачку давления (гидроудару) в подающем трубопроводе или напорном затворе. Таких скачков можно избежать, добавив временное сопло для разлива, которое открывается при закрытии основного сопла, или, что более часто, частично вставляя отражающую пластину между струей и колесом, отклоняя и рассеивая часть энергии при медленном закрытии иглы.

Другой тип импульсной турбины — турбонагнетатель.Струя падает под косым углом на бегунок с одной стороны и продолжает двигаться по единственному пути, выходя на другую сторону бегунка. Этот тип турбины использовался в установках среднего размера с умеренно высоким напором.

Реакционные турбины

В реакционной турбине силы, приводящие в движение ротор, достигаются за счет реакции ускоряющегося потока воды в рабочем колесе при падении давления. Принцип реакции можно наблюдать в роторном оросителе для газонов, где выходящая струя вращает ротор в противоположном направлении.Из-за большого разнообразия возможных конструкций рабочих колес реактивные турбины могут использоваться в гораздо большем диапазоне напоров и расходов, чем импульсные турбины. Реакционные турбины обычно имеют спиральный впускной кожух, который включает регулирующие заслонки для регулирования потока воды. На входе часть потенциальной энергии воды может быть преобразована в кинетическую энергию по мере ускорения потока. Впоследствии энергия воды отбирается в роторе.

Как отмечалось выше, широко используются четыре основных типа реактивных турбин: турбины Каплана, Фрэнсиса, Дериаза и пропеллерные.В турбинах Каплана с фиксированными лопастями и турбинами с регулируемыми лопастями (названными в честь австрийского изобретателя Виктора Каплана) через машину, по существу, существует осевой поток. В турбинах типа Фрэнсиса и Дериаза (после родившегося в Британии американского изобретателя Джеймса Б. Фрэнсиса и швейцарского инженера Поля Дериаза, соответственно) используется «смешанный поток», когда вода поступает радиально внутрь и выпускается в осевом направлении. Рабочие лопатки на турбинах Фрэнсиса и пропеллера состоят из неподвижных лопастей, в то время как в турбинах Каплана и Дериаза лопасти могут вращаться вокруг своей оси, которая находится под прямым углом к ​​главному валу.

Что такое паровая турбина — описание и характеристики

Как работает паровая турбина?

Тепловая энергия , содержащаяся в паре , преобразуется в механическую энергию путем расширения через турбину . Расширение происходит за счет ряда неподвижных лопастей (форсунок), которые направляют поток пара в высокоскоростные форсунки . Эти форсунки содержат значительную кинетическую энергию, которая преобразуется во вращение вала лопастями ротора в форме лопатки, когда паровая струя меняет направление (см .: Закон изменения количества движения).Струя пара, перемещаясь по криволинейной поверхности лопасти, оказывает давление на лопатку за счет своей центробежной силы. Каждый ряд неподвижных сопел и подвижных лопастей называется ступенью . Лопатки вращаются на роторе турбины, а неподвижные лопатки концентрически расположены внутри круглого корпуса турбины.

Во всех турбинах скорость вращения лопастей равна , пропорционально скорости пара , проходящего над лопаткой. Если пар расширяется только за одну стадию от давления котла до давления выхлопных газов, его скорость должна быть чрезвычайно высокой.Но типичная главная турбина на атомных электростанциях, в которой пар расширяется от давления около 6 МПа до давления около 0,008 МПа , работает со скоростью около 3000 об / мин для систем с частотой 50 Гц для 2-полюсного генератора (или 1500 об / мин для 4-х полюсных генераторов). -полюсный генератор) и 1800 об / мин для систем 60 Гц для 4-полюсного генератора (или 3600 об / мин для 2-полюсного генератора). Кольцо с одним лезвием потребует очень больших лезвий и примерно 30 000 об / мин, что слишком много для практических целей.

Таким образом, на большинстве из атомных электростанций используется одновальный турбогенератор , который состоит из одной многоступенчатой ​​турбины высокого давления и трех параллельных многоступенчатых турбин низкого давления , главного генератора и возбудителя. Турбина обычно является двухпоточной реакционной турбиной примерно с 10 ступенями с закрытыми лопатками и вырабатывает около 30-40% полной выходной мощности энергоблока. Турбины низкого давления — это обычно двухпоточные реакционные турбины с примерно 5-8 ступенями (с закрытыми лопатками и с отдельно стоящими лопатками последних 3 ступеней). Турбины низкого давления вырабатывают примерно 60-70% полной выходной мощности энергоблока. Каждый ротор турбины установлен на двух подшипниках, т.е.е. между каждым турбинным модулем установлены двойные подшипники.

См. Также: Турбина ВД

См. Также: Турбина НД

В этих турбинах ступень высокого давления получает пар (это почти насыщенный пар — x = 0,995 — точка C на рисунке; ​​ 6 МПа ; 275,6 ° C) от парогенератора и выпускает его. к влагоотделителю-пароперегревателю (точка D). Пар необходимо повторно нагреть, чтобы избежать повреждений, которые могут быть нанесены лопаткам паровой турбины паром низкого качества.Подогреватель нагревает пар (точка D), а затем пар направляется в ступень низкого давления паровой турбины, где расширяется (точка от E до F). Затем отработанный пар конденсируется в конденсаторе, и он находится под давлением значительно ниже атмосферного (абсолютное давление 0,008 МПа ) и находится в частично конденсированном состоянии (точка F), как правило, с качеством около 90%.

Типы паровых турбин

Паровые турбины можно разделить на различные категории в зависимости от их конструкции, рабочего давления, размера и многих других параметров.Но есть два основных типа паровых турбин:

• импульсные турбины
• реакционные турбины .

Основное различие заключается в способе расширения пара при прохождении через турбину.

Импульсная турбина и реакционная турбина

Типы паровых турбин, основанные на геометрии лопаток и процессе преобразования энергии, — это импульсные турбины и реактивные турбины.

Импульсная турбина

Импульсная турбина состоит из движущихся лопастей , чередующихся с неподвижных сопел .В импульсной турбине пар расширяется в неподвижных соплах и остается под постоянным давлением при прохождении над лопатками. Curtis turbine , Rateau turbine или Brown-Curtis turbine являются турбинами импульсного типа. Первоначальная паровая турбина Де Лаваля была импульсной турбиной с однолопастным колесом.

Полное падение давления пара происходит только в стационарных форсунках. Хотя теоретические импульсные лопасти имеют нулевой перепад давления в движущихся лопастях, на практике, чтобы поток проходил через движущиеся лопасти, на движущихся лопастях также должен быть небольшой перепад давления.

В импульсных турбинах пар расширяется через сопло, где большая часть потенциальной энергии давления преобразуется в кинетическую энергию. Высокоскоростной пар из неподвижных форсунок ударяет по лопастям , меняет направление , которое, в свою очередь, прикладывает силу . Результирующий импульс толкает лопасти вперед, заставляя ротор вращаться. Основная особенность этих турбин заключается в том, что перепад давления на одну ступень может быть довольно большим, что позволяет использовать большие лопатки и меньшее количество ступеней.За исключением применений с низким энергопотреблением, лопатки турбины расположены в несколько ступеней последовательно, что называется компаундированием, что значительно повышает эффективность на низких скоростях.

Современные паровые турбины часто используют и реакцию, и импульс в одном и том же агрегате, обычно изменяя степень реакции и импульса от хвостовика лопатки к ее периферии. Лопасти ротора обычно имеют конструкцию, напоминающую импульсную лопасть на месте гниения и реактивную лопасть на кончике.

Так как ступени Кертиса значительно снижают давление и температуру жидкости до умеренного уровня с большой долей работы на ступень.Обычно на стороне высокого давления предусматривается одна или несколько ступеней Кертиса, за которыми следует ступень Ратау или ступени реакции. В целом, когда учитывается трение, стадии реакции оказываются наиболее эффективными, за ней следуют Рато и Кертис в этом порядке. Потери на трение значительны для ступеней Curtis, поскольку они пропорциональны квадрату скорости пара. Причина того, что потери на трение менее значительны на стадии реакции, заключается в том, что пар непрерывно расширяется и, следовательно, скорости потока ниже.

Компаундирование паровых турбин

Составная паровая турбина имеет несколько ступеней i.е. он имеет более одного набора сопел и роторов, последовательно соединенных шпонками с валом или прикрепленных к корпусу, так что либо давление пара, либо скорость струи поглощаются турбиной на нескольких ступенях. Например, большая турбина высокого давления , используемая на атомных электростанциях, может быть двухпоточной реакционной турбиной с примерно 10 ступенями с закрытыми лопатками. Большие турбины низкого давления , используемые на атомных электростанциях, обычно представляют собой двухпоточные реакционные турбины с примерно 5-8 ступенями (с закрытыми лопатками и с отдельно стоящими лопатками последних трех ступеней).

В импульсной паровой турбине компаундирование может быть достигнуто тремя способами:

• компаундирование под давлением
• Скорость сложения
• компаундирование давление-скорость

Скорость смешивания

Импульсная ступень с компаундом скорости состоит из ряда неподвижных сопел , за которыми следуют двух или более рядов движущихся лопастей и неподвижных лопастей (без расширения).Это делит падение скорости на ступени на несколько более мелких капель. В этом типе полное падение давления (расширение) пара происходит только в первом кольце сопла . Это производит пар с очень высокой скоростью , который проходит через несколько ступеней неподвижных и подвижных лопастей. На каждом этапе поглощается только часть высокой скорости, остальная часть направляется на следующее кольцо неподвижных лопастей. Функция неподвижных лопастей заключается в перенаправлении пара (без существенного изменения скорости), выходящего из первого кольца движущихся лопастей, во второе кольцо движущихся лопастей.Затем струя переходит к следующему кольцу движущихся лопастей, процесс повторяется до тех пор, пока практически вся скорость струи не будет поглощена.

Этот метод сложения скоростей используется для решения проблемы одноступенчатой ​​импульсной турбины для использования пара высокого давления (т.е. требуемой скорости турбины), но они менее эффективны из-за высоких потерь на трение.

Компаундирование под давлением — Турбина Rateau — Турбина Zoelly

Импульсная ступень с компаундом под давлением представляет собой ряд фиксированных форсунок , за которым следует ряд подвижных лопастей с несколькими ступенями для компаундирования.В этом типе полное падение давления пара не происходит в первом кольце сопел, а распределяется между всеми кольцами сопел. Эффект поэтапного поглощения падения давления заключается в уменьшении скорости пара, входящего в движущиеся лопасти. Пар из котла проходит через первое сопловое кольцо, в котором он только частично расширен . Затем он проходит над первым движущимся кольцом лопастей, где почти вся его скорость (импульс) поглощается. Из этого кольца он выходит в следующее сопловое кольцо и снова частично расширяется .Этот метод компаундирования под давлением используется в турбинах Rateau и Zoelly, но такие турбины больше и больше по размеру.

Компаундирование по давлению и скорости — Curtis Turbine

Импульсные ступени могут быть смешаны по давлению, по скорости или по давлению и скорости . Состав давление-скорость представляет собой комбинацию двух вышеуказанных типов компаундирования. Фактически, серия импульсных ступеней с комбинированной скоростью называется турбиной с комбинированной скоростью.Каждая ступень состоит из колец неподвижных и подвижных лопастей. Каждый набор колец подвижных лопастей разделен одним кольцом неподвижных сопел. На каждой ступени имеется одно кольцо неподвижных сопел и 3-4 кольца подвижных лопастей (с неподвижными лопастями между ними). Каждая ступень действует как импульсная турбина с увеличенной скоростью.

Пар, выходящий из парогенератора, проходит в первое кольцо неподвижных форсунок, где он частично расширяется . Давление частично уменьшается, соответственно увеличивается скорость.Затем он проходит по 3-4 кольцам движущихся лопастей (с неподвижными лопастями между ними), где почти вся его скорость поглощается. Из последнего кольца ступени он выходит в следующее сопловое кольцо и снова частично расширяется.

Это имеет то преимущество, что допускает больший перепад давления на каждой ступени и, следовательно, требуется меньше ступеней, что приводит к более короткой турбине для данного перепада давления. Видно, что давление постоянно на каждой стадии; поэтому турбина является импульсной турбиной.В турбине Curtis используется метод скоростной компаундирования.

Реакционная турбина — турбина Парсонса

Реакционная турбина состоит из движущихся лопастей ( форсунок ), чередующихся с неподвижных форсунок . В реакционной турбине пар расширяется в неподвижных соплах, а также в подвижных соплах. Другими словами, пар постоянно расширяется , когда он течет по лопастям.В движущихся лопастях наблюдается потеря давления и скорости. Подвижные лопасти имеют сужающееся паровое сопло. Следовательно, когда пар проходит над неподвижными лопастями, он расширяется с уменьшением давления пара и увеличением кинетической энергии.

В реакционных турбинах пар расширяется через неподвижное сопло, где потенциальная энергия давления преобразуется в кинетическую энергию. Высокоскоростной пар из неподвижных сопел ударяется о лопасти (сопла), меняет свое направление и подвергается дальнейшему расширению .Изменение направления и ускорение команды прикладывает силу. Возникающий в результате импульс толкает лопасти вперед, вызывая вращение ротора. Нет чистого изменения скорости пара на ступени, но происходит снижение как давления, так и температуры, что отражает работу, выполняемую при приводе ротора. В турбине этого типа падение давления происходит на нескольких ступенях, поскольку падение давления на одной ступени ограничено.

Основной особенностью этого типа турбины является то, что в отличие от импульсной турбины, падение давления на ступень ниже , поэтому лопатки становятся меньше, а количество ступеней увеличивается на .С другой стороны, реакционные турбины обычно более эффективны, то есть имеют более высокий «изэнтропический КПД турбины» . Реакционная турбина была изобретена сэром Чарльзом Парсонсом и известна как турбина Парсонса.

В случае паровых турбин, которые будут использоваться для выработки электроэнергии, реакционной турбине потребуется примерно удвоенное количество рядов лопаток по сравнению с импульсной турбиной для такой же степени преобразования тепловой энергии.Хотя это делает реакционную турбину намного длиннее и тяжелее, общий КПД реакционной турбины немного выше, чем у эквивалентной импульсной турбины при таком же преобразовании тепловой энергии.

Современные паровые турбины часто используют и реакцию, и импульс в одном и том же агрегате, обычно изменяя степень реакции и импульса от хвостовика лопатки к ее периферии. Лопасти ротора обычно имеют конструкцию, напоминающую импульсную лопасть на месте гниения и реактивную лопасть на кончике.

Компаундирование реакционной турбины под давлением

Составная паровая турбина состоит из нескольких ступеней i.е. он имеет более одного набора сопел и лопаток, последовательно соединенных шпонками с валом или прикрепленных к корпусу, так что либо давление пара, либо скорость струи поглощаются турбиной на нескольких ступенях. Например, большая турбина высокого давления , используемая на атомных электростанциях, может быть двухпоточной реакционной турбиной с примерно 10 ступенями с закрытыми лопатками. Большие турбины низкого давления , используемые на атомных электростанциях, обычно представляют собой двухпоточных реактивных турбин с примерно 5-8 ступенями (с закрытыми лопатками и с отдельно стоящими лопатками последних 3 ступеней).

В реакционной паровой турбине компаундирование может быть достигнуто только при компаундировании под давлением. Фактически, это не совсем то, что обсуждалось в импульсных турбинах. Обратите внимание, что происходит расширение пара как в неподвижных, так и в движущихся лопастях.

Классификация турбин — условия подачи и отвода пара

Паровые турбины можно разделить на разные категории в зависимости от их назначения и рабочего давления .Промышленное использование турбины влияет на начальное и конечное состояние пара. Для работы любой паровой турбины должна существовать разница давлений между подачей пара и выхлопом.

В данную классификацию входят:

Паровая конденсационная турбина

Конденсационные паровые турбины чаще всего используются на тепловых электростанциях. В конденсационной паровой турбине максимальное количество энергии извлекается из пара, потому что существует очень высокая разница энтальпии между начальным (т.е.грамм. 6 МПа; 275 ° С; x = 1 ) и конечных (например, 0,008 МПа; 41,5 ° C; x = 0,9 ) условий пара. Это достигается за счет пропускания отработанного пара в конденсатор (называемый поверхностным конденсатором), который конденсирует отработанный пар из ступеней низкого давления основной турбины (снижает температуру и давление отработанного пара). Отработанный пар конденсируется, проходя по трубкам с водой из системы охлаждения.

Цель поддержания минимально возможного давления выхлопных газов турбины является основной причиной включения конденсатора в тепловую электростанцию. Конденсатор создает вакуум, который максимизирует энергию, извлекаемую из пара, что приводит к значительному увеличению чистой работы и теплового КПД. Но и этот параметр (давление в конденсаторе) имеет свои технические пределы:

• Снижение давления выхлопных газов турбины снижает качество пара (или долю сухости). В какой-то момент расширение необходимо прекратить, чтобы избежать повреждений, которые могут быть нанесены лопаткам паровой турбины паром низкого качества.
• Снижение давления на выхлопе турбины значительно увеличивает удельный объем отработанного пара, что требует огромных лопаток в последних рядах ступени низкого давления паровой турбины.

В типичной конденсационной паровой турбине отработанный пар конденсируется в конденсаторе, и он находится под давлением значительно ниже атмосферного (абсолютное давление 0,008 МПа, , что соответствует 41,5 ° C). Этот пар находится в частично конденсированном состоянии (точка F), обычно его качество составляет около 90%.Обратите внимание, что давление внутри конденсатора также зависит от окружающих атмосферных условий:

• температура, давление и влажность воздуха при охлаждении в атмосферу
• Температура воды и расход в случае охлаждения в реку или море

Повышение температуры окружающей среды вызывает пропорциональное увеличение давления отработанного пара ( ΔT = 14 ° C, обычно является постоянным), следовательно, термический КПД системы преобразования энергии снижается.Другими словами, электрическая выходная мощность электростанции может изменяться при окружающих условиях , в то время как тепловая мощность остается постоянной.

Давление внутри конденсатора определяется температурой окружающего воздуха (т.е. температурой воды в системе охлаждения) и паровыми эжекторами или вакуумными насосами , которые отбирают газы (неконденсируемые) из поверхностного конденсатора и выбросить их в атмосферу.

Наименьшее возможное давление в конденсаторе — это давление насыщения, соответствующее температуре окружающей среды (например,грамм. абсолютное давление 0,008 МПа, , что соответствует 41,5 ° C ). Обратите внимание, что всегда существует разница температур (около ΔT = 14 ° C ) между температурой конденсатора и температурой окружающей среды, которая возникает из-за конечных размеров и эффективности конденсаторов.

Паровая турбина с противодавлением

Паровые турбины с противодавлением или турбины без конденсации наиболее широко используются для приложений с технологическим паром .Пар является основным источником энергии для многих промышленных процессов. Популярность технологического пара в качестве источника энергии обусловлена ​​его многочисленными преимуществами, среди которых:

• высокая теплоемкость,
• транспортабельность
• низкая токсичность

Технологический пар может производиться паровыми турбинами с противодавлением , которые также генерируют механическую работу (или электрическую энергию). Турбины с противодавлением расширяют свежий пар, подаваемый котлом, до давления, при котором пар необходим для процесса.Давление выхлопных газов регулируется регулирующим клапаном в соответствии с потребностями давления технологического пара. Турбины с противодавлением обычно используются на нефтеперерабатывающих заводах , установках централизованного теплоснабжения, целлюлозно-бумажных заводах и опреснительных установках , где требуются большие количества технологического пара низкого давления. Электроэнергия, вырабатываемая турбиной с противодавлением, прямо пропорциональна количеству необходимого технологического пара.

Паровая турбина повторного нагрева

Промежуточные турбины также используются почти исключительно на тепловых электростанциях.Все турбины, которые имеют турбину высокого давления и турбину низкого давления, используют повторный нагрев пара между этими ступенями. Reheat позволяет подавать больше тепла при температуре, близкой к пику цикла (т. Е. Увеличивается термический КПД). Это требует добавления теплообменника другого типа, называемого перегревателем . Использование подогревателя предполагает разделение турбины, то есть использование многоступенчатой ​​турбины с подогревателем. Было замечено, что более двух стадий повторного нагрева не нужны, поскольку следующая стадия увеличивает эффективность цикла только наполовину по сравнению с предыдущей стадией.

Ступени высокого и низкого давления турбины обычно находятся на одном валу и приводят в действие общий генератор, но имеют разные корпуса. В подогревателе поток отбирается после частичного расширения (точка D), возвращается через теплообменник, чтобы нагреть его до пиковой температуры (точка E), а затем направляется в турбину низкого давления. . Затем расширение завершается в турбине низкого давления от точки E до точки F.

Пар должен быть повторно нагрет или перегрет во избежание повреждений, которые могут быть нанесены лопаткам паровой турбины паром низкого качества.Высокое содержание капель воды может привести к быстрому удару и эрозии лопастей, что происходит при попадании конденсированной воды на лопасти. Для предотвращения этого в паропроводе, ведущем к турбине, устанавливаются отводы конденсата. Подогреватель нагревает пар (точка D), а затем пар направляется в ступень низкого давления паровой турбины, где расширяется (точка от E до F). Отработанный пар находится под давлением значительно ниже атмосферного, и, как видно из рисунка, пар находится в частично конденсированном состоянии (точка F), как правило, с качеством около 90%, но это гораздо более высокое качество пара, чем это было бы без подогрева.Соответственно, перегрев также имеет тенденцию решать проблему низкого качества пара на выхлопе турбины.

Турбина с отбором пара

Практически все большие паровые турбины используют регенерацию тепла (т.е. они являются вытяжными турбинами), так как это уменьшает количество топлива , которое необходимо добавить в котел. Снижение добавляемого тепла может быть достигнуто путем передачи тепла (частично расширенного пара) от определенных секций паровой турбины, температура которого обычно намного выше температуры окружающей среды, питательной воде. Обратите внимание, что большая часть энергии, содержащейся в паре, находится в форме скрытой теплоты парообразования.Потоки экстракции можно контролировать с помощью клапана или оставить неуправляемыми.

Например, на большинстве атомных электростанций используется одновальный турбогенератор, который состоит из одной многоступенчатой ​​турбины л.с. с 3 или 4 саморегулирующихся отборных линий и трех параллельных многоступенчатых турбин низкого давления с 3 или 4 саморегулирующиеся вытяжные линии .

Нагреватели питательной воды высокого давления обычно нагреваются отборным паром от турбины высокого давления, HP, тогда как подогреватели питательной воды низкого давления обычно нагреваются отборным паром от турбины низкого давления, LP.Оба обычно саморегулируются. Это означает, что чем больше расход питательной воды, тем выше скорость поглощения тепла паром и тем больше расход отводимого пара.

• Остаточная потеря скорости. Скорость пара, покидающего турбину, должна иметь определенное абсолютное значение (v _ex ). Потери энергии из-за абсолютной скорости пара на выходе пропорциональны (v _ex ² /2).Этот тип потерь можно уменьшить, используя многоступенчатую турбину.
• Наличие трения . В реальных термодинамических системах или в реальных тепловых двигателях часть общей неэффективности цикла связана с потерями на трение отдельных компонентов (например, сопел или лопаток турбины)
• Утечка пара. Невозможно полностью изолировать ротор турбины и корпус. Некоторое количество пара выходит из камеры без выполнения полезной работы.
• Потери из-за механического трения в подшипниках. Каждый ротор турбины установлен на двух подшипниках, т.е. между каждым турбинным модулем установлены двойные подшипники.
• Потери давления в регулирующих клапанах и паропроводах. Между парогенераторами и главной турбиной находятся запорные клапаны главного паропровода (MSIV), дроссельно-стопорные клапаны и регулирующие клапаны. Как и трение в трубе, незначительные потери равны , примерно пропорционально квадрату расхода . Скорость потока в основных паропроводах обычно очень высока.Хотя дросселирование является изэнтальпийным процессом, падение энтальпии, доступное для работы в турбине, уменьшается, потому что это вызывает повышение качества пара на выходящего пара на .
• Потери из-за низкого качества пара . Отработанный пар находится под давлением значительно ниже атмосферного, и пар находится в частично конденсированном состоянии, как правило, с качеством около 90%. Более высокое содержание капель воды может вызвать быстрое столкновение и эрозию лопастей, что происходит при попадании конденсированной воды на лопасти.
• Радиационные потери. Паровая турбина может работать в установившемся режиме с условиями на входе 6 МПа, t = 275,6 °. Поскольку это большая и тяжелая машина, она должна быть теплоизолирована, чтобы избежать потери тепла в окружающую среду.

Управление паровой турбиной

Управление паровой турбиной — это процедура управления расходом пара в паровой турбине, чтобы поддерживать скорость турбины достаточно постоянной независимо от нагрузки на турбину.Типичная главная турбина на атомных электростанциях, в которой пар расширяется от давления около 6 МПа до давления около 0,008 МПа, работает со скоростью около:

• 3000 об / мин для систем 50 Гц для 2-полюсного генератора (или 1500 об / мин для 4-полюсного генератора),
• 1800 об / мин для систем 60 Гц для 4-полюсного генератора (или 3600 об / мин для 2-полюсного генератора).

Изменение нагрузки (выходной мощности) во время работы паровой турбины может существенно повлиять на ее производительность и эффективность.Традиционно атомные электростанции (АЭС) считались источниками базовой нагрузки электроэнергии, поскольку они используют технологию с высокими постоянными затратами и низкими переменными затратами. Однако это простое положение вещей больше не применяется во всех странах. Доля ядерной энергетики в национальном энергобалансе некоторых стран стала настолько большой, что коммунальным предприятиям пришлось реализовать или улучшить маневренность своих электростанций, чтобы иметь возможность адаптировать электроснабжение к суточным, сезонным или другим колебаниям. в спросе на мощность.Например, это имеет место во Франции, где более 75% электроэнергии вырабатывается на АЭС, и где некоторые ядерные реакторы работают в режиме с отслеживанием нагрузки .

Основная цель работы паровой турбины — поддерживать постоянную скорость вращения независимо от переменной нагрузки. Это может быть достигнуто путем регулирования в паровой турбине. Основными методами регулирования, которые используются в паровых турбинах, являются:

1. Форсунка регулирующая. Источник: википедия.org Лицензия: CC BY-SA 3.0

   Дроссельная заслонка . Основными частями простой системы регулирования дроссельной заслонки являются дроссельные запорные клапаны и особенно регулирующие клапаны между парогенераторами и главной турбиной. Основная цель регулирующих клапанов — снизить расход пара. В связи с уменьшением массового расхода пара испытывает увеличивающееся падение давления на регулирующем клапане, что на самом деле является изэнтальпическим процессом. Хотя дросселирование является изэнтальпийным процессом, падение энтальпии, доступное для работы в турбине, уменьшается, потому что это вызывает повышение качества пара на выходящего пара на .

2. Сопло регулирующее . При управлении форсунками подача пара от главного клапана делится на две, три или более линий. Расход пара регулируется путем открытия и закрытия комплектов форсунок, а не регулирования его давления.
3. Управляющий байпас . Обычно он используется для предохранительного клапана, который пропускает пар непосредственно в последние ступени паровой турбины. Во время такой работы байпасные клапаны открываются, и свежий пар вводится в более поздние ступени турбины.Это генерирует больше энергии, чтобы удовлетворить возросшую нагрузку.
4. Комбинация 2 и 3 .

Отключение турбины

Каждая паровая турбина также оснащена аварийными регуляторами , которые срабатывают при определенных условиях. Как правило, незапланированный аварийный останов или турбины известен как «отключение турбины ». Сигнал отключения турбины инициирует быстрое закрытие из всех впускных клапанов пара (например, ).грамм. запорные клапаны турбины — ТСВ) для перекрытия потока пара через турбину.

Событие отключения турбины — это стандартный постулируемый переходный процесс, который необходимо проанализировать в отчете по анализу безопасности (SAR) для атомных электростанций.

В случае аварийного отключения турбины, неисправность турбины или реакторной системы приводит к отключению турбины от линии из-за внезапной остановки потока пара к турбине. Типичные причины отключения турбины, например:

• частота вращения вала турбины увеличивается сверх заданного значения (например,грамм. 110%) — превышение частоты вращения турбины
• балансировка турбины нарушена или из-за сильных вибраций
• неисправность системы смазки
• низкий вакуум в конденсаторе
• ручное аварийное отключение турбины

После отключения турбины реактор обычно отключается непосредственно по сигналу, поступающему от системы. С другой стороны, система защиты реактора подает сигнал отключения турбины всякий раз, когда происходит отключение реактора.Поскольку в ядерной системе подачи пара (NSSS) еще остается энергия, система автоматического байпаса турбины будет компенсировать избыточное производство пара.

Материалы для паровых турбин

Диапазон сплавов, используемых в паровых турбинах, относительно невелик, отчасти из-за необходимости обеспечить хорошее соответствие тепловых свойств, таких как расширение и проводимость, а отчасти из-за потребности в высокотемпературной прочности при приемлемой стоимости.

• Материал для роторов турбин.Роторы паровых турбин обычно изготавливаются из низколегированной стали. Роль легирующих элементов заключается в повышении прокаливаемости с целью оптимизации механических свойств и ударной вязкости после термообработки. Роторы должны выдерживать самые высокие паровые условия, поэтому наиболее часто используемым сплавом является сталь CrMoV.
• Материал обшивки. Корпуса паровых турбин обычно представляют собой большие конструкции сложной формы, которые должны обеспечивать удержание давления для паровой турбины.Из-за размера этих компонентов их стоимость оказывает сильное влияние на общую стоимость турбины. Материалами, используемыми в настоящее время для внутреннего и внешнего кожуха, обычно являются низколегированные стали CrMo (например, сталь 1-2CrMo). Для более высоких температур литые сплавы 9CrMoVNb считаются подходящими с точки зрения прочности.
• Материал лопаток турбины. В газовых турбинах лопатки турбины часто являются ограничивающим элементом. Наивысшая температура в цикле возникает в конце процесса сгорания, и она ограничена максимальной температурой , которую могут выдержать лопаток турбины .Как обычно, металлургические соображения (около 1700 К) устанавливают верхний предел теплового КПД. Поэтому в лопатках турбин часто используются экзотические материалы, такие как суперсплавы , и множество различных методов охлаждения, таких как внутренние воздушные каналы, охлаждение пограничного слоя и термобарьерные покрытия. Разработка суперсплавов в 1940-х годах и новых методов обработки, таких как вакуумная индукционная плавка в 1950-х годах, значительно повысили температурную стойкость лопаток турбин. В лопатках современных турбин часто используются суперсплавы на основе никеля , содержащие хром, кобальт и рений.
• Лопатки паровой турбины не подвергаются воздействию таких высоких температур, но они должны выдерживать работу с двухфазной жидкостью. Высокое содержание капель воды может привести к быстрому удару и эрозии лопастей, что происходит при попадании конденсированной воды на лопасти. Для предотвращения этого, например, в паропроводе, ведущем к турбине, устанавливаются отводы конденсата. Еще одна сложная задача для инженеров — это конструкция лопаток последней ступени турбины низкого давления. Эти лопасти должны быть (из-за большого удельного объема пара) очень длинными, что создает огромных центробежных сил во время работы.Следовательно, лопатки турбины подвергаются нагрузке от центробежной силы (ступени турбины могут вращаться со скоростью десятки тысяч оборотов в минуту (об / мин), но обычно со скоростью 1800 об / мин) и сил жидкости, которые могут вызвать разрушение, податливость или ползучесть.

См. Также: Материалы для паровых турбин — проблемы материалов

Принцип работы турбогенератора — производство электроэнергии

На большинстве из атомных электростанций работает одновальный турбогенератор , который состоит из одной многоступенчатой ​​турбины высокого давления и трех параллельных многоступенчатых турбин низкого давления , главного генератора и возбудителя.Турбина л.с. обычно представляет собой двухпоточную импульсную турбину (или реактивного типа) с примерно 10 ступенями с закрытыми лопатками и вырабатывает около 30-40% полной выходной мощности энергоблока. Турбины низкого давления — это обычно двухпоточные реактивные турбины с примерно 5-8 ступенями (с закрытыми лопатками и с отдельно стоящими лопатками последних 3 ступеней). Турбины низкого давления вырабатывают примерно 60-70% полной выходной мощности энергоблока. Каждый ротор турбины установлен на двух подшипниках, т.е.е. между каждым турбинным модулем установлены двойные подшипники.

От парогенератора до главных паропроводов — испарение

Система преобразования энергии типичного реактора PWR начинается с парогенераторов на сторонах их кожуха. Парогенераторы — это теплообменники , используемые для преобразования питательной воды в пар из тепла, производимого в активной зоне ядерного реактора. Питательная вода (вторичный контур) нагревается от ~ 230 ° C до 500 ° F (жидкость, предварительно нагретая регенераторами) до точки кипения этой жидкости (280 ° C; 536 ° F; 6,5 МПа) .Тепло передается через стенки этих труб к вторичному теплоносителю более низкого давления, расположенному на вторичной стороне теплообменника, где теплоноситель испаряется в пар под давлением ( насыщенный пар 280 ° C; 536 ° F; 6,5 МПа). ) . Насыщенный пар выходит из парогенератора через выпускное отверстие для пара и направляется в основные паропроводы и далее в паровую турбину .

Эти главные паропроводы связаны (например,через паросборную трубу) рядом с турбиной, чтобы разница давлений между парогенераторами не превышала определенного значения, таким образом поддерживая баланс системы и обеспечивая равномерный отвод тепла от системы охлаждения реактора (RCS). Пар проходит через запорные клапаны магистрального паропровода (MSIV), которые очень важны с точки зрения безопасности, к турбине высокого давления. Непосредственно на входе в паровую турбину расположены дроссельно-стопорные клапаны и регулирующие клапаны .Управление турбиной достигается за счет изменения открытия этих клапанов турбины. В случае отключения турбины подача пара должна быть отключена очень быстро, обычно за доли секунды, поэтому запорные клапаны должны работать быстро и надежно.

Испарение воды при высоком давлении — Энергетический баланс в парогенераторе

Рассчитайте количество теплоносителя первого контура, которое требуется для испарения 1 кг питательной воды в типичном парогенераторе.Предположим, что потери энергии отсутствуют, это всего лишь идеализированный пример.

Баланс первого контура

Горячий теплоноситель первого контура ( вода, 330 ° C; 626 ° F; 16 МПа ) закачивается в парогенератор через вход первого контура. Теплоноситель первого контура выходит из парогенератора (вода 295 ° C; 563 ° F; 16 МПа) через выпускное отверстие первого контура.

ч _{I, вход} = 1516 кДж / кг

=> Δh _I = -206 кДж / кг

ч _{I, выход} = 1310 кДж / кг

Остаток питательной воды

Питательная вода ( вода 230 ° C; 446 ° F; 6,5 МПа ) закачивается в парогенератор через вход питательной воды. Питательная вода (вторичный контур) нагревается от ~ 230 ° C 446 ° F до точки кипения этой жидкости (280 ° C; 536 ° F; 6,5 МПа) . Затем питательная вода испаряется, и сжатый пар (насыщенный пар 280 ° C; 536 ° F; 6,5 МПа) покидает парогенератор через выпускное отверстие для пара и направляется в паровую турбину.

ч _{II, вход} = 991 кДж / кг

=> Δh _II = 1789 кДж / кг

ч _{II, выход} = 2780 кДж / кг

Весы парогенератора

Поскольку разница в удельных энтальпиях для теплоносителя первого контура меньше, чем для питательной воды, очевидно, что количество теплоносителя первого контура будет выше 1 кг.Для производства 1 кг насыщенного пара из питательной воды требуется около 1789/206 x 1 кг = 8,68 кг теплоносителя первого контура.

Изобарическое добавление тепла

Изобарическое добавление тепла (в теплообменнике — котле) — В этой фазе (между состоянием 2 и состоянием 3) происходит теплопередача при постоянном давлении жидкому конденсату от внешнего источника, поскольку камера открыта для входа и выхода. Питательная вода (вторичный контур) нагревается до точки кипения (2 → 3a) этой жидкости, а затем испаряется в котле (3a → 3).Чистое добавленное тепло равно Q _{прибавить} = H ₃ — H ₂

От клапанов турбины до конденсатора — расширение

Обычно на большинстве из атомных электростанций эксплуатируются многоступенчатых конденсационных паровых турбин . В этих турбинах ступень высокого давления принимает пар (этот пар является почти насыщенным паром — x = 0,995 — точка C на рисунке; ​​ 6 МПа ; 275.6 ° C) из парогенератора и выводят его в сепаратор-подогреватель влаги (MSR — точка D). Пар необходимо повторно нагреть, чтобы избежать повреждений, которые могут быть нанесены лопаткам паровой турбины паром низкого качества. Высокое содержание капель воды может привести к быстрому удару и эрозии лопастей, что происходит при попадании конденсированной воды на лопасти. Для предотвращения этого в паропроводе, ведущем к турбине, устанавливаются отводы конденсата.

Обезвоженный пар перегревается отборным паром из ступени высокого давления турбины и паром непосредственно из главных паропроводов. Греющий пар конденсируется в трубках и отводится в систему питательной воды.

Подогреватель нагревает пар (точка D), а затем пар направляется в ступень низкого давления паровой турбины, где расширяется (точка от E до F). Затем отработанный пар конденсируется в конденсаторе и находится под давлением значительно ниже атмосферного (абсолютное давление 0.008 МПа ) и находится в частично конденсированном состоянии (точка F), как правило, с качеством около 90%. Ступени высокого и низкого давления турбины обычно находятся на одном валу и приводят в действие общий генератор, но имеют разные корпуса. Главный генератор вырабатывает электроэнергию, которая подается в электрическую сеть.

Расширение ступени высокого давления паровой турбины

Энтальпия для состояния C может быть выбрана непосредственно из таблиц пара, тогда как энтальпия для состояния D должна быть рассчитана с использованием качества пара:

ч _{1, влажный} = 2785 кДж / кг

h _{2, влажный} = h _{2, s} x + (1 — x) h

= 2782.0,87 + (1 — 0,87). 790 = 2420 + 103 = 2523 кДж / кг

Δh = 262 кДж / кг = W _HP

Изэнтропическое расширение

Изэнтропическое расширение (расширение в паровой турбине) — Пар из котла адиабатически расширяется из состояния 3 в состояние 4 в паровой турбине для выполнения работы, а затем сбрасывается в конденсатор (частично конденсируется). Пар действительно воздействует на окружающую среду (лопасти турбины) и теряет количество энтальпии, равное работе, которая покидает систему.Работа турбины определяется выражением W _T = H ₄ — H ₃ . И снова энтропия не изменилась.

От конденсатора к конденсатным насосам — Конденсация

Главный конденсатор конденсирует отработавший пар из ступеней низкого давления главной турбины, а также из системы сброса пара. Отработанный пар конденсируется, проходя по трубкам с водой из системы охлаждения.

Давление внутри конденсатора определяется температурой окружающего воздуха (т.е. температурой воды в системе охлаждения) и паровыми эжекторами или вакуумными насосами , которые отбирают газы (неконденсируемые) из поверхностного конденсатора и выбросить их в атмосферу.

Наименьшее возможное давление в конденсаторе — это давление насыщения, соответствующее температуре окружающей среды (например, абсолютное давление 0,008 МПа, соответствует 41.5 ° С ). Обратите внимание, что всегда существует разница температур (около ΔT = 14 ° C ) между температурой конденсатора и температурой окружающей среды, которая возникает из-за конечных размеров и эффективности конденсаторов. Поскольку ни один из конденсаторов не является теплообменником с 100% эффективностью, всегда существует разница температур между температурой насыщения (вторичная сторона) и температурой хладагента в системе охлаждения. Кроме того, имеется конструктивная неэффективность, которая снижает общий КПД турбины.В идеале пар, выпущенный в конденсатор, должен иметь без переохлаждения . Но настоящие конденсаторы предназначены для переохлаждения жидкости на несколько градусов Цельсия, чтобы избежать кавитации на всасывании в конденсатных насосах. Но это переохлаждение увеличивает неэффективность цикла, потому что для повторного нагрева воды требуется больше энергии.

Цель поддержания минимально возможного давления выхлопных газов турбины является основной причиной включения конденсатора в тепловую электростанцию.Конденсатор создает вакуум, который максимизирует энергию, извлекаемую из пара, что приводит к значительному увеличению чистой работы и теплового КПД. Но и этот параметр (давление в конденсаторе) имеет свои технические пределы:

• Снижение давления выхлопных газов турбины снижает качество пара (или долю сухости). В какой-то момент расширение необходимо прекратить, чтобы избежать повреждений, которые могут быть нанесены лопаткам паровой турбины паром низкого качества.
• Снижение давления на выхлопе турбины значительно увеличивает удельный объем отработанного пара, что требует огромных лопаток в последних рядах ступени низкого давления паровой турбины.

В типичной паровой турбине отработанный пар конденсируется в конденсаторе, и он находится под давлением значительно ниже атмосферного (абсолютное давление 0,008 МПа, , что соответствует 41,5 ° C). Этот пар находится в частично конденсированном состоянии (точка F), обычно его качество составляет около 90%. Обратите внимание, что давление внутри конденсатора также зависит от окружающих атмосферных условий:

• температура, давление и влажность воздуха при охлаждении в атмосферу
• Температура воды и расход в случае охлаждения в реку или море

Повышение температуры окружающей среды вызывает пропорциональное увеличение давления отработанного пара ( ΔT = 14 ° C, обычно является постоянным), следовательно, термический КПД системы преобразования энергии снижается.Другими словами, электрическая выходная мощность электростанции может изменяться при окружающих условиях , в то время как тепловая мощность остается постоянной.

Конденсированный пар (теперь называемый конденсатом) собирается в горячем колодце конденсатора. Нагревательный колодец конденсатора также обеспечивает емкость для хранения воды, которая требуется для эксплуатационных целей, например, для подпитки питательной воды. Конденсат (насыщенная или слегка переохлажденная жидкость) подается в конденсатный насос, а затем перекачивается конденсатными насосами в деаэратор через систему подогрева питательной воды.Конденсатные насосы повышают давление обычно примерно до p = 1-2 МПа. Обычно имеется четыре центробежных конденсатных насоса на одну треть производительности с общими всасывающими и напорными коллекторами. Обычно работают три насоса, один в резерве.

Изобарический отвод тепла

От насосов конденсата к насосам питательной воды — регенерация тепла

Конденсат из конденсатных насосов затем проходит через несколько ступеней подогревателей питательной воды низкого давления , в которых температура конденсата повышается за счет передачи тепла от пара, отбираемого из турбин низкого давления.Обычно в каскад включаются три или четыре ступени подогревателей питательной воды низкого давления. Конденсат выходит из нагревателей питательной воды низкого давления примерно при p = 1 МПа, t = 150 ° C и поступает в деаэратор . Основная конденсатная система также содержит систему механической очистки конденсата от примесей. Подогреватели питательной воды саморегулирующиеся. Это означает, что чем больше расход питательной воды, тем выше скорость поглощения тепла паром и тем больше расход отводимого пара.

В паропроводах отборного пара между нагревателями питательной воды и турбиной установлены обратные клапаны. Эти обратные клапаны предотвращают обратный поток пара или воды в случае отключения турбины, что вызывает быстрое снижение давления внутри турбины. Любая вода, попадающая в турбину таким образом, может серьезно повредить лопасти турбины.

Регенерация тепла

Как видно из статьи «Парогенератор», питательная вода (вторичный контур) на входе в парогенератор может иметь температуру около ~ 230 ° C (446 ° F) , а затем нагревается до температуры кипения этой жидкость (280 ° C; 536 ° F; 6,5 МПа) и испаряется. Но конденсат на выходе из конденсатора может иметь температуру около 40 ° C , поэтому регенерация тепла в типичном PWR значительна и очень важна:

• Регенерация тепла увеличивает тепловой КПД, поскольку большая часть теплового потока в цикл происходит при более высокой температуре.
• Регенерация тепла вызывает снижение массового расхода, особенно через ступени низкого давления паровой турбины, следовательно, КПД изэнтропической турбины низкого давления увеличивается. Обратите внимание, что на последней стадии расширения пар имеет очень большой удельный объем, что требует больших лопаток последней ступени.
• Рекуперация тепла приводит к повышению качества рабочего пара, так как стоки расположены по периферии корпуса турбины, где более высокая концентрация капель воды.Улучшенный дренаж турбины означает меньше проблем с эрозией лопаток.

Деаэратор

В общем, деаэратор — это устройство, которое используется для удаления кислорода и других растворенных газов из питательной воды в парогенераторы. Деаэратор является частью системы подогрева питательной воды. Обычно он располагается между последним нагревателем низкого давления и подкачивающими насосами питательной воды.В частности, растворенный кислород в парогенераторе может вызвать серьезные коррозионные повреждения из-за прикрепления к стенкам металлических трубопроводов и другого металлического оборудования и образования оксидов (ржавчины). Кроме того, растворенный диоксид углерода соединяется с водой с образованием угольной кислоты, которая вызывает дальнейшую коррозию.

В деаэраторе конденсат нагревается до состояния насыщения обычно паром, отводимым из паровой турбины. Отводимый пар смешивается в деаэраторе с помощью системы распылительных форсунок и каскадных тарелок, между которыми просачивается пар.Любые растворенные газы в конденсате высвобождаются в этом процессе и удаляются из деаэратора путем отвода в атмосферу или в главный конденсатор. Непосредственно под деаэратором находится резервуар для хранения питательной воды , в котором хранится большое количество питательной воды в условиях, близких к насыщению. В случае аварийного останова турбины эта питательная вода может подаваться в парогенераторы для поддержания необходимого запаса воды во время переходного режима. Деаэратор и резервуар для хранения обычно расположены на большой высоте в машинном зале, чтобы обеспечить достаточный чистый положительный напор на всасывании (NPSH) на входе в насосы питательной воды. NPSH используется для измерения того, насколько жидкость находится в условиях насыщения. Понижение давления на стороне всасывания может вызвать кавитацию . Такое расположение сводит к минимуму риск кавитации в насосе.

От насосов питательной воды к парогенератору

Система насосов питательной воды обычно состоит из трех параллельных линий ( 3 × 50% ) насосов питательной воды с общими всасывающими и нагнетательными коллекторами. Каждый насос питательной воды состоит из бустера и главного насоса питательной воды .Насосы питательной воды (обычно приводимые в действие паровыми турбинами) повышают давление конденсата (~ 1 МПа) до давления в парогенераторе (~ 6,5 МПа).

Бустерные насосы обеспечивают необходимое давление всасывания основного насоса питательной воды. Эти насосы (оба насоса питательной воды) обычно представляют собой насосы высокого давления (обычно центробежного типа), которые всасывают воду из резервуара для хранения деаэраторной воды, который установлен непосредственно под деаэратором, и питают основные насосы питательной воды.Отвод воды из насосов питательной воды проходит через нагреватели питательной воды высокого давления , попадает в защитную оболочку, а затем в парогенераторы.

Поток питательной воды к каждому парогенератору регулируется регулирующими клапанами питательной воды ( FRV ) в каждой линии питательной воды. Регулятор автоматически управляется уровнем парогенератора, расходом пара и расходом питательной воды.

Нагреватели питательной воды высокого давления нагреваются отборным паром турбины высокого давления HP Turbine.Сливы от нагревателей питательной воды высокого давления обычно направляются в деаэратор.

Питательная вода ( вода 230 ° C; 446 ° F; 6,5 МПа ) закачивается в парогенератор через вход питательной воды. В парогенераторе питательная вода (вторичный контур) нагревается от ~ 230 ° C 446 ° F до точки кипения этой жидкости (280 ° C; 536 ° F; 6,5 МПа) . Затем питательная вода испаряется, и пар под давлением ( насыщенный пар 280 ° C; 536 ° F; 6,5 МПа) покидает парогенератор через выпускное отверстие для пара и направляется в паровую турбину, тем самым завершая цикл.

Изэнтропическое сжатие

Как работает паровая турбина?

Большая часть электроэнергии в Соединенных Штатах вырабатывается с помощью паротурбинных двигателей — по данным Министерства энергетики США, более 88 процентов энергии в США производится с помощью паротурбинных генераторов на центральных электростанциях, таких как солнечные тепловые электрические, угольные и атомные электростанции.Предлагая более высокий КПД и низкую стоимость, паровые турбины стали неотъемлемой частью многих американских производств электроэнергии.

Первая паровая турбина

Первая современная паровая турбина была разработана сэром Чарльзом А. Парсонсом в 1884 году. Эта турбина использовалась для освещения выставки в Ньюкасле, Англия, и производила всего 7,5 кВт энергии. Теперь паротурбинные генераторы могут производить более 1000 МВт энергии на крупных электростанциях. Несмотря на то, что генерирующая мощность значительно увеличилась со времен Парсонса, конструкция осталась прежней.Но, как бы интуитивно ни был дизайн Парсонса, это не так просто, как пар, движущийся по лопастям. Он был основан на втором законе термодинамики и теореме Карно (), которая утверждает, что чем выше температура пара, тем выше эффективность электростанции. Давайте рассмотрим, как пар помогает приводить в действие большинство электростанций страны.

Как так много энергии улавливается из пара?

Возвращаясь к школьной физике, вода кипит при 100 ° C. В этот момент молекулы расширяются, и мы получаем испаренную воду — пар.Используя энергию, содержащуюся в быстро расширяющихся молекулах, пар обеспечивает замечательную эффективность выработки энергии.

Учитывая высокую температуру и давление пара, неудивительно, что были случаи, когда аварии происходили из-за ненадлежащего использования или установки предохранительных клапанов. Один из самых заметных инцидентов произошел на атомной электростанции Три-Майл-Айленд. Все произошло из-за повышения давления пара, когда насосы, подававшие воду в парогенераторы, перестали работать.

Как работает паровая турбина?

Проще говоря, паровая турбина работает с использованием источника тепла (газового, угольного, атомного, солнечного) для нагрева воды до чрезвычайно высоких температур до тех пор, пока она не превратится в пар. Когда этот пар проходит мимо вращающихся лопастей турбины, пар расширяется и охлаждается. Таким образом, потенциальная энергия пара во вращающихся лопатках турбины превращается в кинетическую энергию. Поскольку паровые турбины генерируют вращательное движение, они особенно подходят для привода электрических генераторов для выработки электроэнергии.Турбины соединены с генератором с осью, которая, в свою очередь, вырабатывает энергию через магнитное поле, которое производит электрический ток.

Как работают лопатки турбины?

Лопатки турбины предназначены для управления скоростью, направлением и давлением пара при его прохождении через турбину. Для крупномасштабных турбин к ротору прикреплены десятки лопастей, как правило, в разных наборах. Каждый набор лопастей помогает извлекать энергию из пара, сохраняя при этом давление на оптимальном уровне.

Этот многоступенчатый подход означает, что лопатки турбины снижают давление пара очень небольшими приращениями на каждой ступени. Это, в свою очередь, снижает действующие на них силы и значительно улучшает общую мощность турбины.

Важность гибких средств управления для вращающегося турбинного оборудования

При таком большом количестве энергии, проходящей через паровые турбины, необходимы механизмы управления, которые могут регулировать их скорость, контролировать поток пара и изменять температуру внутри системы.Поскольку большинство паровых турбин находятся на крупных электростанциях, которым требуются нагрузки по требованию, возможность регулировать поток пара и общую выработку энергии является необходимостью.

Как системы управления Petrotech могут повысить эффективность вашего паротурбинного генератора

Изобретение паровой турбины изменило нашу способность производить энергию в больших масштабах. И даже с такой, казалось бы, простой задачей, как пар, проходящий через набор лопастей, легко увидеть, что эти механизмы довольно сложны.Таким образом, им нужна рефлексивная интеллектуальная система управления паровой турбиной, с помощью которой можно отслеживать и контролировать их работу. Усовершенствованные системы управления паровыми турбинами Petrotech для приводов компрессоров и генераторов имеют интегрированный пакет управления, который обеспечивает управление скоростью и производительностью. Наша продукция включает интегрированные системы управления для газовых и паровых турбин, генераторов, компрессоров, насосов и связанного вспомогательного оборудования. Чтобы узнать больше о наших элементах управления паровой турбиной, ознакомьтесь с нашими техническими документами о расширенных элементах управления паровой турбиной для генераторов и механических приводов.

Расход и работа паровой турбины

Паровые турбины — одна из старейших и наиболее универсальных технологий первичных двигателей, остающихся в общем использовании. Они приводят в движение бесчисленное количество машин и производят электроэнергию на многих заводах по всему миру. Паровые турбины использовались более 120 лет, когда они заменили поршневые паровые двигатели из-за их более высокой эффективности и более низкой стоимости. Мощность паровой турбины может варьироваться от 20 киловатт до нескольких сотен мегаватт (МВт) для больших водителей.

Паровая турбина используется для выработки максимального количества механической энергии с использованием минимального количества пара в компактном приводе, обычно в конфигурации с прямым приводом. Возможности изменения или регулировки скорости также важны для паровых турбин. В настоящее время паровые турбины широко используются в различных приводах для механических приводов и энергоблоков и производят почти 1 миллион (МВт) мощности по всему миру.

Ротор паровой турбины — это вращающийся элемент, к которому прикреплены колеса и лопасти.Лезвие — это компонент, который извлекает энергию из пара.

Конструкции и типы паровых турбин

Доступны два основных типа конструкций паровых турбин. Один из них — это импульсная конструкция, в которой ротор вращается в результате воздействия пара на лопасти. Другой является реактивной конструкцией, и он работает по принципу, согласно которому ротор получает вращающую силу от пара, покидающего лопасти.

Пар обычно входит в один конец, движется в одном направлении к другому концу секции и выходит из обсадной колонны для повторного нагрева или передачи в следующую секцию.Однако в двухпоточной паровой турбине пар входит в середину и течет в обоих направлениях к концам секции. Двухпоточные устройства были популярны много лет назад. За исключением особых обстоятельств, они не рекомендуются для современных приложений.

Конденсатор

Основным типом паровой турбины является конденсационная паровая турбина, которая использовалась для больших приводов с превышением определенного предела номинальной мощности (скажем, как очень грубое указание, выше 8 МВт).Эти паровые турбины выпускаются непосредственно в один или несколько конденсаторов, которые поддерживают условия вакуума на выходе из паровой турбины. Массив трубок с охлаждающей водой конденсирует пар в воду (жидкость) в конденсаторе.

Вакуум в конденсаторе возникает, когда охлаждающая вода из окружающей среды конденсирует пар (выхлоп турбины) в конденсаторе. Поскольку известно, что небольшое количество воздуха просачивается в систему, когда давление ниже атмосферного, для удаления неконденсируемых газов из конденсатора обычно используется относительно небольшой компрессор.Неконденсирующиеся газы могут включать воздух, небольшое количество побочного продукта коррозии, вызванной реакцией вода-железо, и водород.

Процессы конденсационной паровой турбины производят максимальную механическую мощность и эффективность от подачи пара. Однако выходная мощность конденсационных паровых турбин чувствительна к температуре окружающей среды. Конденсационные паровые турбины дорогие, большие, сложные и менее пригодны для применения с механическим приводом. Паровые турбины, особенно для малых и средних машин, пропускают пар вокруг рядов лопаток и через торцевые уплотнения.Когда конец находится под низким давлением, как в случае с конденсационными паровыми турбинами, воздух может просочиться в систему. Утечки вызывают меньшую мощность, чем ожидалось.

Противодавление

Другой тип паровой турбины — это паровая турбина с противодавлением, которая является наиболее подходящим оборудованием для приложений с механическим приводом, таких как приводы компрессоров или насосов. Термин противодавление относится к паровым турбинам, которые выпускают пар с давлением выше атмосферного.Давление нагнетания обычно определяется конкретным применением пара в установке. Более низкие давления часто используются в малых и больших приложениях низкого давления (НД), таких как системы отопления, а более высокие давления часто используются при подаче пара в промышленные процессы.

Промышленные процессы часто включают дальнейшее расширение для других меньших механических приводов с использованием небольших паровых турбин для приведения в действие вращающегося оборудования (например, насосов смазочного масла), которое непрерывно работает в течение длительных периодов времени.Значительная способность к выработке механической энергии приносится в жертву, когда пар используется при значительном давлении, а не расширяется до вакуума в конденсаторе. Выпуск пара в парораспределительную систему при избыточном давлении 10 бар (изб.) Может принести в жертву примерно половину мощности, которая могла бы быть произведена при условиях пара на входе около 50 бар изб. И 420 ° C, что типично для малых и средних паровых турбин.

Между выходной механической мощностью конденсационной паровой турбины и комбинацией мощности и пара паровой турбины с противодавлением может быть обеспечено практически любое соотношение выходной мощности к теплу.Паровые турбины с противодавлением могут иметь множество различных противодавлений, что дополнительно увеличивает изменчивость отношения мощности к теплу.

Добыча

Третий тип паровых турбин — это паровые турбины с отжимом. Отборная турбина имеет одно или несколько отверстий в корпусе для отбора части пара при некотором промежуточном давлении. Отобранный пар можно использовать в технологических целях. Давление отбора пара может регулироваться или не регулироваться автоматически в зависимости от конструкции паровой турбины.

Регулируемый отбор позволяет лучше регулировать поток пара через паровую турбину для выработки дополнительной механической энергии в зависимости от рабочих сценариев. В некоторых специальных паровых турбинах могут быть предусмотрены несколько точек отбора, каждая из которых имеет разное давление, соответствующее разной температуре, при которой на установке необходимы услуги отопления (или другие услуги).

Конкретные потребности предприятия в паре и электроэнергии с течением времени определяют степень отбора пара.В больших, часто сложных установках, дополнительный пар может поступать (поступать в корпус и увеличивать поток в паровом тракте) к паровой турбине. Часто это происходит, когда несколько котлов и паропроизводящих систем используются при разном давлении из-за сложности установки и необходимости достижения максимальной тепловой эффективности или ее исторического существования (в сложных установках, которые подвергались нескольким реконструкциям и расширениям). Эти паровые турбины называются паровыми турбинами с впуском.Производители адаптировали запросы клиентов на дизайн, изменяя площадь проходного сечения на ступенях и степень, в которой пар извлекается (или удаляется из пути потока между ступенями), чтобы соответствовать техническим требованиям. В местах отбора и впуска пара клапаны управления потоком пара обычно увеличивают стоимость пара и системы управления.

Когда пар расширяется за счет высокого давления, как в больших паровых турбинах, пар может начать конденсироваться в турбине, когда температура пара падает ниже температуры насыщения при этом давлении.Если в паровой турбине образуются капли воды, может произойти эрозия лопаток, когда капли ударяют по лопаткам. На этом этапе расширения пар иногда возвращается в котел и повторно нагревается до высокой температуры, а затем возвращается в паровую турбину для дальнейшего (безопасного и надежного) расширения. В некоторых крупных паротурбинных установках сверхвысокого давления также могут быть установлены системы двойного перегрева.

Паровые турбины с отбором и впуском являются специальными машинами, и их следует использовать только в тех случаях, когда они действительно необходимы, поскольку их работа и управление всей системой сложны и иногда могут приводить к эксплуатационным проблемам.Паровые турбины с отбором и впуском представляют собой сложные турбомашины со сложным управлением и эксплуатацией, которые должны одновременно управлять паровыми турбинами (часто с переменной нагрузкой) с различными регуляторами расхода пара в зависимости от других агрегатов и требований системы. Их следует использовать только в специальных крупных установках, в которых другие более простые паровые турбины не могут быть коммерчески конкурентоспособными по своим мощностям, тепловому КПД или другим соображениям. Обычно использование сложной паровой турбины с отбором и впуском не оправдано для работы с мощностью в несколько мегаватт и сложных схем работы паровой турбины с переменной нагрузкой и скоростью.

Расход пара, работа и конструкция

Пар сначала нагревается в системе генерации пара (например, в котлах или системах утилизации отходящего тепла), где он достигает высокой температуры, примерно от 400 ° C до 600 ° C. Первый клапан, с которым сталкивается пар, когда он движется из системы генерации пара в паровую турбину, — это главный запорный клапан (главный отключающий или отключающий клапан), который либо полностью открыт, либо полностью закрыт. Этот клапан часто не контролирует поток пара, кроме как полностью его остановить.

Рис. 2. Показан еще один пример паровой турбины с внутренними устройствами, компонентами и подсистемами.

Регулирующие или дроссельные клапаны в различных компоновках и конфигурациях также используются для управления впуском пара. Также распространены комбинированные триггерные и дроссельные клапаны. Во многих паровых турбинах должны быть предусмотрены как минимум два независимых отключающих клапана для надлежащего резервирования. Эти клапаны расположены непосредственно перед паровой турбиной и предназначены для выдерживания полной температуры и давления пара.Эти клапаны необходимы, потому что в случае потери механической нагрузки паровая турбина быстро разгонится и разрушится. Это случается нечасто. Причиной этого может быть необычная первопричина, например, отказ муфты. Возможны и другие несчастные случаи, из-за которых требуется два или три независимых запорных клапана, которые обеспечивают безопасность и надежность, но увеличивают стоимость системы.

Приводы паровых турбин оснащены дроссельными клапанами или регуляторами сопел для регулирования потока пара и обеспечения работы с переменной скоростью.Привод паровой турбины может выполнять ту же функцию, что и привод электродвигателя с регулируемой скоростью. Паровые турбины обычно могут работать в широком диапазоне скоростей и не выходят из строя при перегрузке. Они также обеспечивают высокий пусковой крутящий момент, необходимый для нагрузок с постоянным крутящим моментом, например, для поршневых насосов или компрессоров.

Пар ударяет по первому ряду лопастей при таком высоком давлении, что он может создавать крутящий момент с небольшой площадью поверхности. Воздействие пара заставляет ротор вращаться.Однако по мере продвижения ступеней паровой турбины пар теряет давление и энергию, поэтому требуются все более большие площади поверхности. По этой причине размеры лопастей увеличиваются с каждой ступенью. Когда пар выходит из турбины, его температура падает, и он теряет почти все свое повышенное давление. Некоторое падение давления также происходит на диафрагме, которая является компонентом между внешней стенкой и внутренней перемычкой. Перегородки диафрагмы направляют пар к вращающимся лопастям.

Пар должен ударить по лопастям под определенным углом, чтобы максимизировать полезную работу давления пара. Здесь в игру вступают сопла. Между лопастными колесами размещены неподвижные кольца форсунок, чтобы «повернуть» пар под оптимальным углом для удара лопастей. Упорный подшипник установлен на одном конце главного вала для сохранения его осевого положения и предотвращения столкновения движущихся частей с неподвижными частями. Опорный подшипник поддерживает главный вал и не позволяет ему выскакивать из корпуса на высоких скоростях.

Вытяжной колпак направляет пар из последней ступени паровой турбины, и он спроектирован так, чтобы минимизировать потерю давления, которая снизила бы тепловой КПД паровой турбины. После выхода из выхлопной секции пар поступает в конденсатор, где охлаждается до жидкого состояния. В процессе конденсации пара обычно создается вакуум, который затем вводит больше пара из паровой турбины. Вода возвращается в систему производства пара, повторно нагревается и используется повторно. Регулятор — это устройство, которое регулирует скорость турбины.Современные паровые турбины имеют электронный регулятор, который использует датчики для контроля скорости, проверяя зубья ротора.

Чтобы спроектировать более эффективную паровую турбину, следует использовать кожух с соответствующими соплами и лопастями для ограничения пара и клапаны для управления подачей пара к соплам. Толстостенные отливки, используемые для секций турбин, работающих под давлением, называются кожухами и обычно изготавливаются из материалов из легированной стали. Некоторые конструкции включают внутреннюю и внешнюю оболочки, которые служат для уравновешивания перепада давления и уменьшения толщины оболочки при тепловом напряжении, запуске и нагрузке.Многоступенчатые конструкции используются для повышения эффективности. Тип и количество ступеней турбины, а также форма и размер лопаток различаются. Они определяются на основе давления и температуры пара, давления выхлопных газов и скорости.

Когда ротор паровой турбины неподвижен, пар, проходящий через сопло, ударяет по лопаткам с полной силой, создавая наибольший крутящий момент. Однако, поскольку это происходит при остановленном роторе, выполняемая работа равна нулю.С другой стороны, если скорость ротора равна скорости пара, пар не будет иметь компоненты скорости относительно лопастей, и лопасти не будут вращаться. Следовательно, этот случай приводит к нулевому крутящему моменту и, опять же, нулевой работе. Максимальный КПД находится между этими двумя крайностями. Для достижения идеальных рабочих условий и максимальной эффективности необходимо провести надлежащую оптимизацию.

Из-за высокого давления, используемого в паровых турбинах, корпус достаточно толстый, и, следовательно, паровые турбины обладают большой тепловой инерцией.Их следует медленно нагревать и охлаждать, чтобы свести к минимуму дифференциальное расширение между вращающимися лопастями и неподвижными компонентами. Для разогрева больших паровых турбин может потребоваться от пяти до девяти часов. В то время как агрегаты меньшего размера имеют более быстрое время пуска, паровые турбины заметно отличаются от поршневых двигателей, которые запускаются быстро, и от газовых турбин, которые могут запускаться за умеренное время и с разумной скоростью следовать за нагрузкой.

Применения паровых турбин обычно работают непрерывно в течение продолжительных периодов времени, даже несмотря на то, что пар, подаваемый в установку, и передаваемая механическая мощность могут изменяться в течение таких периодов непрерывной работы.Поскольку большинство паровых турбин выбираются для применений с высокими коэффициентами нагрузки, характер их применения часто учитывает необходимость только медленных изменений температуры во время работы, и можно допустить длительное время запуска. Паровые котлы также имеют длительное время запуска.

Поток, износ и деградация

Примеси в паре могут вызывать отложения, накипь и коррозию в паровых турбинах, что отрицательно сказывается на их работе. Три наиболее важных механизма отказа в любой паровой турбине низкого давления, связанные с коррозией, — это точечная коррозия, коррозионная усталость и коррозионное растрескивание под напряжением.Местная паровая среда определяет, возникают ли эти механизмы повреждения на поверхностях лезвий и дисков.

Зона фазового перехода, где расширение и охлаждение пара приводит к конденсации, особенно важна. Ряд процессов, происходящих в этой зоне, таких как осаждение химических соединений из перегретого пара, осаждение, испарение и высыхание жидких пленок на горячих поверхностях, приводят к образованию потенциально коррозионных отложений на поверхности.

Чистота пара и условия отключения — два параметра, которые приводят к коррозионным повреждениям.Еще одним важным фактором могут быть условия окружающей среды, возникающие во время останова. Это условия, которые возникают во время незащищенного останова, когда насыщенные кислородом влажные и жидкие пленки образуются на поверхностях паропровода в результате гигроскопических эффектов. Эти пленки непосредственно вызваны ненадлежащими методами останова, принятыми группой по эксплуатации / техническому обслуживанию паровых турбин или всей командой. Они могут привести к питтингу, который чаще всего является предвестником механизмов коррозии.

Соответствующие свойства материала (такие как состав, структура и внутренние напряжения) и конструкция (температура, напряжения и щели) также играют важную роль.Точечная коррозия может также возникать во время работы в щелях, например, в местах крепления лезвий. Чистота пара контролирует большинство процессов коррозии и жизненно важна для надежности паровой турбины.

Возможны механические блокировки из-за отложений. Блокировки в чувствительных местах, хотя и встречаются редко, обычно имеют серьезные последствия. Например, даже небольшие отложения на штоке обратного клапана паровой турбины могут нарушить его работу. В случае отключения паровой турбины неисправный обратный клапан может привести к продолжению потока пара и некоторому повреждению турбины.Кроме того, отложения на неподвижных частях, если они достаточно толстые и сильные, могут препятствовать движению лезвия, представляя особый риск механического повреждения небольших лезвий.

Закупорка парового тракта изменяет соотношение давлений в паровой турбине таким образом, что может вызвать осевое смещение вала. Это может привести к контакту между вращающимися и неподвижными частями, что может привести к серьезному повреждению. Такие условия часто обнаруживаются и избегаются путем контроля давления в паровой турбине.

Более частым, но менее значимым результатом блокировки потока пара является снижение пропускной способности (поглощающей способности) паровой турбины и изменение эффективного профиля потока пара на лопатках паровой турбины. Эти изменения приводят к уменьшению расхода пара, снижению выходной мощности и снижению эффективности турбины. Распространенными примерами являются отложения меди и алюминия в паровых турбинах высокого давления и отложения кремнезема в турбинах среднего и низкого давления.

Амин Алмаси — старший консультант по вращающемуся оборудованию в Австралии. Он является дипломированным профессиональным инженером Engineers Australia и IMechE и имеет степени бакалавра и магистра в области машиностроения и RPEQ. Он является активным членом Engineers Australia, IMechE, ASME и SPE и является автором более 100 документов и статей, посвященных вращающемуся оборудованию, мониторингу состояния, оффшорным, подводным работам и надежности.

Его свойства, работа, типы и применение

Паровая турбина эволюционировала в первом веке, когда это устройство напоминает игрушку.Затем было изобретено практическое применение паровых турбин, которые послужили основой для развития других типов паровых турбин. Современный вид паровой турбины был представлен в 1884 году человеком Чарльзом Парсонсом, конструкция которого включает динамо-машину. Позже это устройство приобрело известность благодаря своим эксплуатационным характеристикам, и люди стали применять его в своих операциях. В этой статье описываются концепции, относящиеся к паровой турбине и ее функциям.

Что такое паровая турбина?

Определение: Паровая турбина подпадает под классификацию механической машины, которая изолирует тепловую энергию от нагнетаемого пара и преобразует ее в механическую энергию.Поскольку турбина производит вращательное движение, она наиболее подходит для работы электрических генераторов. Само название указывает на то, что устройство приводится в движение паром, и когда паровой поток проходит через лопатки турбины, пар охлаждается, а затем расширяется, передавая почти всю имеющуюся у него энергию, и это непрерывный процесс.

Таким образом, лопасти преобразуют потенциальную энергию устройства в энергию кинетического движения. Таким образом, паровая турбина используется для подачи электроэнергии.Эти устройства используют повышенное давление пара для вращения электрогенераторов на чрезвычайно высоких скоростях, при этом скорость их вращения максимальна, чем у водяных турбин и ветряных турбин.

Например: обычная паровая турбина имеет скорость вращения 1800-3600 оборотов в минуту, почти в 200 раз больше оборотов, чем у ветряной турбины.

Принцип работы паровой турбины

Принцип действия этого устройства основан на динамическом движении пара.Пар с повышенным давлением, выходящий из форсунок, ударяет по вращающимся лопастям, которые плотно прилегают к диску, установленному на валу. Поскольку из-за этой повышенной скорости пара создает сильное давление на лопасти устройства, после чего вал и лопасти начинают вращаться в аналогичном направлении. Как правило, паровая турбина изолирует энергию штока, а затем преобразует ее в кинетическую энергию, которая затем проходит через сопла.

Итак, преобразование кинетической энергии оказывает механическое воздействие на лопасти ротора, и этот ротор связан с паротурбинным генератором, и он действует как посредник.Поскольку конструкция устройства настолько обтекаема, она генерирует минимальный шум по сравнению с другими видами вращающихся устройств.

В большинстве турбин скорость вращающейся лопасти линейна относительно скорости пара, проходящего через лопатку. Когда пар расширяется в самой однофазной фазе от силы этого котла до силы истощения, тогда скорость пара чрезвычайно увеличивается. В то время как основная турбина, которая используется на атомных станциях, где скорость расширения пара составляет от 6 МПа до 0.0008 МПа со скоростью 3000 оборотов на частоту 50 Гц и 1800 оборотов при частоте 60 Гц.

Итак, многие атомные станции функционируют как одновальный турбинный генератор высокого давления, который имеет одну многоступенчатую турбину и три параллельные турбины низкого давления, возбудитель вместе с главным генератором.

Типы паровых турбин

Паровые турбины классифицируются по многим параметрам, и среди них много типов. Типы, которые будут обсуждаться, следующие:

На основе движения пара

На основе движения пара они подразделяются на различные типы, которые включают следующие.

Импульсная турбина

Здесь пар с экстремальной скоростью, который выходит из сопла, ударяется о вращающиеся лопасти, которые расположены на периферийной части ротора. Так как из-за удара лопасти меняют направление вращения без изменения значений давления. Давление, вызванное импульсом, развивает вращение вала. Примерами этого типа являются турбины Рато и Кертиса.

Реакционная турбина

Здесь расширение пара будет присутствовать как в движущихся, так и в постоянных лопастях, когда поток проходит через них.На этих лопастях будет постоянный перепад давления.

Комбинация реактивной и импульсной турбины

На основе комбинации реактивной и импульсной турбины они подразделяются на различные типы, которые включают следующие.

• На основе ступеней давления
• На основе движения пара

На основе ступеней давления

На основе ступеней давления они подразделяются на различные типы.

Одноступенчатый

Они используются для включения центробежных компрессоров, нагнетательного оборудования и других подобных инструментов.

Многофазная реактивная и импульсная турбина

Они используются в крайнем диапазоне мощностей, минимальном или максимальном.

На основе движения пара

На основе движения пара они подразделяются на разные типы.

Осевые турбины

В этих устройствах поток пара будет идти в направлении, параллельном оси ротора.

Радиальные турбины

В этих устройствах поток пара будет в направлении, перпендикулярном оси ротора, либо на одну, либо на две фазы давления меньше в осевом направлении.

На основе методологии управления

На основе методологии управления они подразделяются на различные типы.

Управление дроссельной заслонкой

Здесь свежий пар поступает через один или несколько одновременно работающих дроссельных клапанов, и это зависит от увеличения мощности.

Управление форсунками

Здесь свежий пар поступает через один или несколько последовательно открывающихся регуляторов.

Управление байпасом

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

На основе процедуры потери тепла

На основе процедуры потери тепла они подразделяются на различные типы.

Конденсация турбины через генераторы

В этом случае паровая сила, которая меньше давления окружающей среды, подается на конденсатор.

Отбор промежуточной фазы конденсации турбины

В этом случае пар отделяется от промежуточных фаз для целей коммерческого отопления.

Турбины с противодавлением

Здесь отработанный пар используется как для отопления, так и для промышленных целей.

Topping Turbines

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

На основе условий пара на входе в турбину

• Меньшее давление (от 1,2 ата до 2 ата)
• Среднее давление (40 ата)
• Высокое давление (> 40 ата)
• Очень высокое давление (170 ата)
• Сверхкритический (> 225 ат.

  Разница между этими двумя указана ниже.

  Конструкция и Конструкция и обслуживание сложны

  Паровая турбина	Паровой двигатель
  Минимальные потери на трение	Максимальные потери на трение
  Хорошие балансировочные свойства	Плохие балансирующие свойства 93
  Подходит для высокоскоростных устройств	Работает только для устройств с минимальной скоростью
  Равномерная выработка электроэнергии	Неравномерная выработка электроэнергии
  Повышенная эффективность	Меньшая эффективность
  Подходит для крупных промышленных применений	Подходит для минимальных промышленных применений

  Преимущества / недостатки

  преимущества паровой турбины :

  • Расположение паровой турбины требует минимального пространства
  • Оптимизированная работа и надежная система
  • Требует меньших эксплуатационных затрат и имеет минимальное пространство
  • Повышенный КПД в паровых трактах

  Недостатки паровой турбины

  • Из-за повышенной скорости быть увеличенными потерями на трение
  • Имеет минимальную эффективность, что означает, что соотношение лопасти к скорости пара не оптимально

  Применение паровой турбины

  • Турбины смешанного давления
  • Реализовано в инженерных областях
  • Инструменты для выработки электроэнергии

  Часто задаваемые вопросы

  1).Что такое КПД паровой турбины?

  Определяется как доля работы, выполненной на вращающихся лопастях, ко всей подаваемой энергии, рассчитанная для килограмма пара.

  2). Какая турбина эффективнее?

  Самыми эффективными турбинами являются импульсные турбины.

  3). Как повысить КПД паровой турбины?

  Эффективность можно повысить за счет повторного нагрева паровой турбины, рекуперации нагрева сырья турбины и за счет бинарного парового цикла.

  4). Что такое паротурбинный генератор ?

  Это устройство первичного преобразования энергии на электростанции.

  5). Как пар может вращать турбину?

  За счет нагрева воды до температуры, при которой она превращается в пар.

  Это все о паровых турбинах. Хороший баланс вращения и минимальный удар молотка позволяют использовать эти устройства в различных отраслях промышленности. Здесь возникает вопрос: знать о применении паровых турбин.

  Турбина — Energy Education

  Рис. 1. Турбины могут быть довольно большими, паровая турбина наверху масштабируется вместе с человеком. ^[1]

  Турбина — это устройство, которое использует кинетическую энергию некоторой жидкости, такой как вода, пар, воздух или газообразные продукты сгорания, и превращает ее во вращательное движение самого устройства. ^[2] Эти устройства обычно используются в производстве электроэнергии, двигателях и силовых установках и классифицируются как тип двигателя.Они классифицируются как таковые, потому что движки — это просто технологии, которые принимают входные данные и генерируют выход. Простая турбина состоит из ряда лопаток — в настоящее время сталь является одним из наиболее распространенных используемых материалов — и позволяет жидкости попадать в турбину, толкая лопатки. Эти лопасти затем вращаются и выбрасывают жидкость, которая теперь имеет меньше энергии, чем когда она поступала в турбину. Часть энергии улавливается турбиной и используется. ^[2]

  Турбины используются во многих различных областях, и каждый тип турбины имеет немного отличающуюся конструкцию для правильного выполнения своей работы.Турбины используются в ветроэнергетике, гидроэнергетике, в тепловых двигателях и для движения. Турбины чрезвычайно важны, потому что почти вся электроэнергия вырабатывается ими. ^[2]

  Тепловые двигатели

  основная статья

  Турбины обычно используются в тепловых двигателях из-за их высокого КПД при высокой мощности. Кроме того, турбины требуют довольно небольшого обслуживания.

  Газовые турбины часто используются в тепловых двигателях, поскольку они являются одними из самых гибких типов турбин.Одно из конкретных применений этих газовых турбин — в реактивных двигателях. ^[2] В этих газовых турбинах сжатый воздух нагревается и смешивается с некоторым количеством топлива. Когда эта смесь воспламеняется, она быстро расширяется. Расширяющийся воздух проталкивается в турбину, заставляя ее вращаться. Поскольку они используют сжатый воздух, большие высоты не влияют на эффективность турбин, что делает их идеальными для использования в самолетах. ^[3] . Схема газовой турбины показана на рисунке 2 ниже.
  

  Фигура 2.Схема газотурбинного двигателя. ^[4]

  
  Эти турбины используются не только в самолетах, но и для выработки электроэнергии на электростанциях, работающих на природном газе. Дымовые газы в этом случае возникают в результате сгорания природного газа. ^[3]

  Производство электроэнергии

  Гидроэлектроэнергия

  основной артикул

  Рисунок 3. Схема гидроэлектрической турбины. ^[5]

  В этом случае вода, находящаяся за плотиной, выпускается и падает на турбину, генерируя электричество при подключении к генератору.Эти турбины необходимы в области гидроэнергетики — процесса получения энергии из воды.

  В целом конструкция гидроэлектрических турбин такая же. К вращающемуся валу или пластине прикреплен ряд лопастей. Затем вода проходит через турбину над лопастями, заставляя внутренний вал вращаться. Затем это вращательное движение передается генератору, в котором вырабатывается электричество. Существует множество различных типов турбин, которые лучше всего использовать в разных ситуациях.Каждый тип турбины создан для обеспечения максимальной мощности в той ситуации, в которой он используется. Существует множество факторов, которые необходимо изучить, чтобы определить, какую турбину следует использовать. Эти факторы включают гидравлический напор, сброс гидроэлектростанции и стоимость. ^[6]

  На этих объектах обычно используются два типа турбин, и выбор того, какой из них использовать, зависит от того, на что похож гидроэлектростанция. Это реактивные и импульсные турбины. Для получения дополнительной информации о том, как работают эти турбины, и более подробной информации о других турбинах щелкните здесь.

  Ветер

  основная статья

  Ветровые турбины работают путем преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию, которая используется для выработки электроэнергии путем вращения генератора. Эти турбины могут быть наземными или морскими ветряными. Эти турбины состоят из трех основных компонентов. Первым из них являются лопасти несущего винта, которые имеют форму крыльев самолета и предназначены для улавливания воздуха, заставляя лопасти вращаться. Второй компонент — гондола, набор шестерен и генератор, преобразующий вращение лопасти в электрическую энергию.Наконец, башня — это большая подставка, на которой установлены лопасти и гондола. ^[7]

  Список литературы

  типов паровых турбин

  Лучшее определение паровой турбины — это преобразование тепловой энергии пара в механическую работу, которая совершается на вращающемся выходном валу. Это своего рода машина с тепловым двигателем. Турбины, от малых до больших, производятся в широком диапазоне мощностей. Турбины имеют много преимуществ перед паровыми двигателями.Более высокий тепловой КПД может быть достигнут с паровыми турбинами. Поскольку нет трущихся частей, смазка также очень проста. Они идеально подходят для больших электростанций.

  Принцип работы паровых турбин

  Паровые турбины работают по принципу динамического действия пара. Пар, выходящий из форсунок, ударяется о вращающиеся лопасти, которые установлены на диске, установленном на валу. Этот высокоскоростной пар создает динамическое давление на лопасти, при котором вал и лопасти начинают вращаться в одном направлении.

  В зависимости от рабочего давления, размера, конструкции и многих других параметров различают два основных типа паровых турбин.

  1) Импульсная турбина

  2) Реакционная паровая турбина

  Основное различие этих турбин зависит от того, как пар расширяется при прохождении через турбину.

  Импульсная турбина

  Пар, выходящий с очень высокой скоростью через неподвижное сопло, ударяется о лопасти, закрепленные на периферии ротора.Не меняя своего давления, лопасти изменяют направление потока пара. Вращение вала турбины в основном происходит за счет изменения количества движения. Немногочисленные примеры импульсной турбины — турбина Брауна-Кертиса, турбина Кертиса и турбина Рато. Де Лаваль была оригинальной паровой турбиной с однолопастным колесом.

  Обычно варьируя степень реакции и импульса от хвостовика лопатки к ее периферии, современные паровые турбины часто используют как импульс, так и реакцию в одном и том же агрегате.

  Паровая реактивная турбина

  Когда пар проходит над лопастями, он расширяется как в неподвижных, так и в движущихся лопастях реактивной турбины. Постоянно происходит падение давления как в движущихся, так и в неподвижных лопастях. Эта турбина немного отличается от импульсной, где она состоит из движущихся лопастей, чередующихся с неподвижными соплами. В отличие от импульсной турбины, в реакционной турбине падение давления на ступень ниже. Реакционные турбины обычно более эффективны.Примером этой турбины является турбина Парсона.

  
  Для реакционной турбины потребуется примерно вдвое больше рядов лопаток, чем для импульсной турбины для того же преобразования тепловой энергии. И это делает реактивную турбину намного длиннее и тяжелее.
  Теперь, когда вы знаете, как работают разные паровые турбины, давайте кратко рассмотрим их различия.

  Импульсная турбина

  • Лопасти, прикрепленные к ротору, поражаются импульсной силой.
  • Когда пар проходит через сопла, он полностью расширяется, а его давление остается постоянным.
  • Лезвия симметричны по форме.
  • Высокая скорость импульсной турбины, так как скорость пара высокая.
  • Количество ступеней, необходимых для получения такой же мощности, намного меньше.
  • Кривая высокой эффективности лезвия.

  Реакционная турбина

  • Векторная сумма реактивной и импульсной силы ударяет по лопастям, прикрепленным к ротору.
  • Давление не может полностью расшириться. Только когда он проходит через сопла и опирается на лопасти ротора, он частично расширяется.
  • Лезвия асимметричны по форме.
  • Поскольку скорость пара в реакционной турбине ниже, скорость намного ниже, чем в импульсной турбине.
  • Для развития той же мощности требуется больше ступеней.
  • Кривая КПД лопастей ниже по сравнению с импульсной турбиной.

  Еще одним важным аспектом паровых турбин является система управления паровой турбиной. Независимо от изменения нагрузки, этот метод используется для поддержания постоянной постоянной скорости турбины.

  No related posts.