Паровая турбина схема: Паровая турбина — урок. Физика, 8 класс.

Содержание

Паровая турбина | 8 класс

Содержание

Вы уже познакомились с самым распространенным видом теплового двигателя — двигателем внутреннего сгорания. Следующий вид, который мы рассмотрим — это турбина.

Турбины бывают газовые, паровые и гидравлические. Рабочим телом паровой турбины является пар. У газовой турбины же рабочим телом являются газы, образующиеся при сгорании топлива в специальных камерах. Устройство и работа газовой турбины аналогичны устройству и работе паровой турбины.

Для изучения мы выберем паровую турбину. На данном уроке вы узнаете, как она устроена, ее принцип действия, историю создания и применение в жизни.

Устройство и работа паровой турбины

Турбина — это тепловой двигатель, в котором пар или газ, нагретый до высокой температуры, вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала.

Схема простейшего варианта паровой турбины представлена на рисунке 1.

Диск 4 насажен на вал 5. На ободе диска закреплены лопатки 2. Около лопаток располагаются трубы — сопла 1, в которые поступает пар 3 из котла.

Принцип действия паровой турбины достаточно прост. Из сопел вырываются струи пара и оказывают на лопатки значительное давление. Таким образом струи пара приводят диск турбины в быстрое движение. Так внутренняя энергия пара переходит в механическую энергию.

{"questions":[{"content":"В устройстве паровой турбины пар выходит из[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["сопел","диска","вала","клапанов"],"answer":[0]}}}]}

В настоящее время в турбинах устанавливают несколько дисков сразу, насаженных на один общий вал. Так пар будет проходить через все лопатки дисков, при этом отдавая каждому часть своей энергии.

История создания паровой турбины

В ходе истории было предпринято большое количество попыток создания механизмов, похожих на паровую турбину именно в том виде, какой мы ее рассматриваем сейчас. Можно сказать, что все началось еще в I веке. Герон Александрийский создал интересный механизм (рисунок 2). Но его потенциал не оценили и восприняли как забавную игрушку.

Это изобретение по праву можно назвать первым прототипом паровой турбины. В котле кипела вода и образовывался пар. По трубке пар подавался к шару и вылетал из сопел. Шар начинал вращаться.

Считается, что первую паровую турбину создал в 1883 году шведский изобретатель Густав Лаваль. В 1889 году Лаваль дополнил сопла турбины коническими расширителями. Такой вариант сопел стал прародителем будущих ракетных сопел. Турбина Лаваля стала прорывом в инженерии.

С этого момента турбины стали активно использовать для приведения в действие электрогенераторов. В этом же году количество используемых турбин выросло до трехсот.

В 1894 году английский инженер Чарлз Парсонс построил опытное судно “Турбиния” с приводом от паровой турбины. Скорость этого судна достигала $60 \frac{км}{ч}$. В настоящее время судно находится в музее Newcastle’s Discovery Museum (рисунок 3), а её турбина находится в Лондонском музее науки.

{"questions":[{"content":"Создателем паровой турбины является[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Густав Лаваль","Герон Александрийский","Чарлз Парсонс","Джеймс Уатт"],"answer":[0]}}}]}

Применение паровых турбин

Современные паровые турбины широко используются во многих сферах.

Например, на электростанциях генератор электрического тока зачастую соединяют с турбиной. Такие турбины могут вращаться, выполняя до 3000 оборотов в минуту. Это позволяет использовать их для приведения в движение генераторов тока.

Также тепловые турбины устанавливают на тепловых электростанциях. В 2017 году на Уральском турбинном заводе была выпущена паровая турбина, электрическая мощность которой достигает $335 \space МВт$, а тепловая нагрузка — $385 \frac{Гкал}{ч}$ (рисунок 4). Этого достаточно, чтобы обеспечить теплом более 100 000 квартир.

Паровые турбины стоят и на различных заводах. На производстве данные турбины функционируют на отработавшем паре, позволяя получить из практически “отходов производства” полезную энергию. Используют их и на кораблях в качестве главного или вспомогательного двигателя.

Одной из самых мощных паровых турбин в мире на сегодняшний день является турбина Siemens SST5-9000 (рисунок 5). Ее мощностью составляет $1900 \space МВт$. Спрос на такие мощности очень мал, так как реализовать такой потенциал можно только на атомных электростанциях.

На сухопутном и воздушном транспорте паровые турбины не используют, потому что для их функционирования необходимо большое количество пара, а следовательно, и жидкости.

как горячий пар превращается в электричество / Хабр

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

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

Как устроена паровая турбина

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

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

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

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

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

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

Чем выше давление, тем выше температура кипения воды, а значит, температура пара. На вход турбины подается пар, перегретый до 550-560 °C! Зачем так много? По мере прохождения сквозь турбину пар расширяется, чтобы сохранять скорость потока, и теряет температуру, поэтому нужно иметь запас.

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

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

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

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

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

Как появились паровые турбины

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

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

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

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

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

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

Турбинная революция

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

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

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

Турбина Парсонса имела три последовательных цилиндра для пара высокого, среднего и низкого давления с разной геометрией лопаток.

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

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

Турбины Toshiba — путь длиной в век

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

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

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

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

Эффективность паровых турбин

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

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

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

Интересные факты

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

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

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

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

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

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

Производство электроэнергии с использованием паровых турбин

Первым зарегистрированным образцом паровой турбины был Эолипил Героя , реакционная турбина, датируемая примерно 60 г. н.э. К сожалению, оригинальных образцов не сохранилось.

Узнать больше о Герое и его устройстве.

Герой Эолипил

Общественное достояние

Производство традиционной энергии

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

Процессы преобразования энергии

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

Восходящий пар (тепловые источники)

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

Химическая трансформация

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

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

Атомная энергетика

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

Солнечная энергия

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

Геотермальная энергия

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

Паровая турбина (Первичный двигатель)

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

Схема паровой импульсной турбины де Лаваля 1882

Пар поступает с одной стороны ротора турбины через сопла, направленные на поверхность лопаток турбины, и выходит с противоположной стороны ротора. Воздействие пара на изогнутые лопатки турбины приводит к вращению ротора турбины.

Скорость вращения 30 000 об/мин.

Первоначальная турбина де Лаваля имела одноступенчатый ротор, который использовался в качестве испытательного стенда для испытания различных количеств и конструкций сопел.

Подробнее о Густав де Лаваль

Паровая реактивная турбина и электрогенератор Parsons Compound 1884

(Верхняя половина корпуса турбины показана на переднем плане)

Турбина Парсонса была предшественником современных паровых турбин. Он имел несколько ступеней и приводил в действие генератор, также собственной конструкции, установленный на том же валу и производивший 7,5 кВт электроэнергии.

Скорость вращения составляла 18 000 об/мин

Подробнее о Чарльзе Парсонсе

Авторское право на изображение — Музей науки/Библиотека изображений науки и общества

Ротор паровой реакционной турбины Parsons 1884

Крошечные лопасти на секциях высокого давления ротора и статора имеют площадь всего в четверть дюйма (6 мм). Они были изогнуты в поперечном сечении с заостренной передней кромкой и утолщенной задней частью.

Оригинальные образцы этих турбин находятся в Музее науки в Лондоне и Немецком музее в Мюнхене.

Авторские права на изображения — Музей науки/Библиотека изображений науки и общества

Принцип работы паровой турбины

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

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

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

Форсунки

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

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

Импульсные турбины

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

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

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

Реакционные турбины

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

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

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

Составная паровая турбина s

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

Компаундирование под давлением

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

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

Конденсатор

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

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

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

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

Практические машины

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

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

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

Источник: Правительство Австралии

Мощность турбины 1000 МВт и более типична для электростанций.

Паровая турбина как тепловой двигатель

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

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

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

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

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

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

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

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

См. также Гидравлические турбины, газовые турбины и тепловые двигатели

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

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

Вспомогательные системы

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

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

См. также Генераторы

Вернуться к Обзор системы электроснабжения

Основы проектирования и анализа паровых турбин

Перейти к основному содержанию

Вы здесь

Главная
Публикации
КЭП
август 2018 г.
Основы проектирования и анализа паровых турбин

Назад к основам

Август

Джимми Д. Кумана

Эффективное проектирование, анализ и интеграция паровых турбин могут помочь оптимизировать надежность подачи пара и общую энергоэффективность предприятия.

Паровые турбины являются важными компонентами инженерных систем технологических установок. Они предлагают возможности для оптимизации надежности подачи пара, а также энергоэффективности в масштабах всей площадки. Наиболее распространены паровые турбины в нефтеперерабатывающей, аммиачно-карбамидной, метанольной, этиленовой и целлюлозно-бумажной промышленности, где их мощность обычно составляет 10–60 МВт. Хорошие экономические показатели также возможны при меньших размерах до 2 МВт, которые более распространены в пищевой промышленности и производстве напитков, а также на малых и средних предприятиях химической промышленности (CPI).

Достижение благоприятных экономических показателей паровой турбины зависит от выбора правильного типа турбины ( например, противодавление по сравнению с конденсационной) нужного размера, а также от правильной интеграции ее с сетью теплообменников (HEN) в соответствии с соответствующим размещением Принцип пинч-анализа.

В этой статье рассматриваются термодинамические соотношения и уравнения, связывающие условия расхода пара и выходную мощность, которые полезны для предварительной оценки экономических показателей новых турбин и анализа производительности существующих агрегатов.

Основы

Любое устройство, которое преобразует химическую энергию, содержащуюся в топливе, в механическую энергию ( т. е. вал) посредством сгорания, называется тепловым двигателем. Тепловые двигатели обычно классифицируют в соответствии с термодинамическим циклом, которому они следуют. Наиболее распространенными тепловыми двигателями в промышленности являются паровые турбины (цикл Ренкина), газовые турбины (цикл Брайтона) и двигатели внутреннего сгорания (цикл Отто).

Хотя газовые турбины также могут играть важную роль в экономической оптимизации комбинированных теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) на производственных предприятиях, эта статья посвящена исключительно паровым турбинам. Паровые турбины имеют четыре типичных режима работы:

▲ Рисунок 1. Паровые турбины бывают разных конфигураций, включая (а) турбины с противодавлением (BPST), работающие в режиме когенерации, и (b) конденсационные турбины (CST) для производства электроэнергии. Гибридные конфигурации, такие как (в) экстракционные турбины и (г) асинхронные турбины, менее распространены.

Паровые турбины с противодавлением (BPST) производят отработавший пар низкого давления (НД), который можно использовать для одного или нескольких процессов нагрева (рис. 1а). Цели состоят в том, чтобы обеспечить процесс паром в количестве и под давлением, требуемом для процесса, при этом вырабатывая максимальное количество энергии, чтобы уменьшить потребность в покупной энергии. Поскольку BPST совместно генерируют два энергетических продукта ( , т. е. пара и мощности) одновременно, они имеют эффективную тепловую мощность 4 500–5 500 БТЕ/кВтч, что представляет собой энергоэффективность в два-три раза лучше, чем у конденсационной турбины, даже с учетом как котла, так и турбины. потери энергии. (Теплопроизводительность — это количество топлива, которое тепловой двигатель преобразует в полезную мощность — чем меньше число, тем лучше. Минимально возможная теплотворная способность составляет 3413 БТЕ/кВтч, что соответствует 100-процентному преобразованию энергии топлива в мощность.)

Чистые BPST используются в основном на промышленных объектах, которые работают непрерывно, где целью является высокая термодинамическая эффективность и относительно стабильные потребности в энергии. Обычно они рассчитаны на мощность от 3 до 60 МВт.

Конденсационные паровые турбины (CST) выбрасывают пар в конденсатор при атмосферном давлении или самом низком возможном давлении, при котором он может быть сконденсирован с помощью имеющейся системы охлаждения (рис. 1b). В местах с готовым водоснабжением охлаждение обычно осуществляется через замкнутый контур, который циркулирует через испарительную градирню. В засушливых регионах, таких как Ближний Восток, Северная Африка и юго-запад США, теплообменники с воздушным охлаждением обычно более практичны, чем мокрые градирни.

Коммунальные электростанции используют CST исключительно потому, что их цель состоит в максимизации выработки электроэнергии, а тепло выхлопных газов от BPST не используется в цикле выработки электроэнергии Ренкина. CST электростанций обычно имеют мощность более 100 МВт и теплопроизводительность 11 000–16 000 БТЕ/кВтч, в зависимости от таких факторов, как давление и температура пара на входе, температура охлаждающей среды и изоэнтропическая эффективность турбины.

Турбины экстракционно-конденсационные (ЭКТ) представляют собой гибриды, в которых часть выхлопного пара извлекается при достаточно высоком давлении для технологического нагрева (режим когенерации), а остальная часть конденсируется с помощью охлаждающей установки для выработки электроэнергии (режим без когенерации) (рис. 1с). ECT менее распространены в промышленности, потому что их дороже покупать и обслуживать, и их сложнее контролировать.

Индукционные турбины представляют собой гибриды, обеспечивающие очень высокий КПД системы, поскольку они извлекают энергию из пара, давление которого в противном случае пришлось бы сбрасывать через дроссельный клапан (рис. 1d). Как правило, они получают два источника пара на входе с разным давлением ( , например, высокое давление и среднее давление) и выхлоп при одном более низком давлении (, например, давление окружающей среды или вакуум).

На рис. 1d показан простой случай, когда подошла бы асинхронная турбина. Процесс является экзотермическим и генерирует больше пара низкого давления, чем необходимо для технологического нагрева, но для других высокотемпературных режимов требуется пар высокого давления (ВД). Только с двумя уровнями давления пара требуемое количество пара высокого давления направляется прямо в процессы, которые в нем нуждаются, в то время как избыточный выхлоп из турбины конденсируется охлаждающей установкой для дополнительной выработки электроэнергии (режим без когенерации). Асинхронные турбины еще менее распространены, чем экстракционные, потому что их дороже покупать и обслуживать, а также сложнее контролировать.

Проектные и расчетные расчеты

Процесс расширения, происходящий в правильно изолированной паровой турбине, по существу является адиабатическим процессом. Разница энтальпий между входным и выходным паром (без учета потерь на трение) почти полностью преобразуется в механическую энергию, которую затем можно использовать для привода насоса, компрессора или электрогенератора.

▲ Рис. 2. Адиабатическое расширение пара в турбине удобнее всего представить на энтальпийно-энтропийной (H-S) диаграмме Молье. Точка 1 = вход в турбину, точка 2 = выхлоп низкого давления для технологического нагрева (режим когенерации), точка 3 = выхлоп в конденсатор общего назначения (режим выработки электроэнергии).

Этот процесс можно проследить на энтальпийно-энтропийной (H-S) диаграмме, известной как диаграмма Молье. На приведенной в качестве примера диаграмме (рис. 2) путь от точки 1 к точке 2 представляет типичную операцию BPST на химическом, целлюлозно-бумажном, нефтеперерабатывающем или пищевом предприятии; перегретый пар с давлением 600 фунтов на кв. дюйм при температуре 700°F (точка 1) расширяется при прохождении через турбину и выходит при давлении 50 фунтов на кв. дюйм (точка 2). Путь от точки 1 до точки 3 представляет собой работу CST с целью максимального производства электроэнергии, чтобы свести к минимуму потребность в импортируемой мощности при нормальной работе или компенсировать временную потерю импортируемой мощности из сети. Пар высокого давления выпускается в условиях вакуума и конденсируется на охлаждающем устройстве.

Паровые турбины обычно вращаются со скоростью 3 000–15 000 об/мин. На такой скорости могут образовываться капли воды, которые разбалансируют лопасти турбины, вызывая серьезные механические повреждения. BPST обычно могут безопасно работать при влажности до 3% (, т. е. , минимальное качество пара 97%). CST, специально разработанные для электростанций коммунального масштаба, могут выдерживать влажность до 10–12%. Технологические установки должны избегать нормальной работы в этих ограничивающих условиях и должны стремиться к тому, чтобы температура точки росы отработанного пара была как минимум на 20°F выше.

Эти эксплуатационные ограничения необходимы для эффективного анализа выходной мощности турбины, будь то расчет конструкции или расчет мощности. Чтобы определить выходную адиабатическую мощность примера BPST (точки 1–2, рис. 2), мы сначала определяем изменение общей энтальпии для изоэнтропического расширения до давления выхлопа 50 фунтов на квадратный дюйм (от точек 1 до точек 2*). Затем мы применяем изэнтропический КПД (η _T ), который является комбинированным показателем оригинальной конструкции машины и ее настоящего механического состояния:

, где H ₁ — энтальпия входящего пара высокого давления (БТЕ/фунт), H ₂ — фактическая энтальпия выхлопного пара НД (БТЕ/фунт), а H _{900 * — энтальпия выхлопного пара НД при изоэнтропическом расширении (БТЕ/фунт).}

Затем адиабатическая выходная мощность может быть рассчитана по формуле:

где Вт — рабочая мощность (кВт), M — массовый расход пара (фунт/час), а 3,412 — приблизительный коэффициент преобразования БТЕ в кВтч.

Изэнтропический КПД не может быть точно определен, но его можно довольно точно оценить с помощью эмпирических корреляций, основанных на историческом опыте работы в отрасли, которые обычно можно получить у поставщиков паровых турбин. При закупке паровой турбины рекомендуется требовать от всех участников торгов предоставления значений η _T для каждой машины в диапазоне ожидаемых условий нагрузки. Мониторинг потери эффективности существующей турбины может обеспечить заблаговременное предупреждение о надвигающихся проблемах с турбиной.

Ссылка 1 содержит некоторые данные о реальной работе турбины, но набор данных слишком мал, чтобы делать общие выводы. Наиболее надежные и полезные корреляции для новых турбин можно найти в [1]. 2. η _T для паровой турбины можно определить итеративно, используя:

, где a и b являются функциями W (таблица 1). Определение значений a и b из табл.