Паровые турбины. Принцип работы паровой турбины.

Паровая турбина (фр. turbine от лат. turbo вихрь, вращение) — непрерывно работающий тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия сжатого и нагретого пара преобразуется в кинетическую энергию, которая в свою очередь совершает механическую работу на валу.

Паровые турбины

Паровые турбины

Паровые турбины работают следующим образом: Пар, генерируемый в паровом котле, подается под высоким давлением на лопатки турбины. Турбина вращается и вырабатывает механическую энергию, которая используется генератором. Генератор вырабатывает электроэнергию.

Электрическая мощность паровых турбин зависит от перепада давления между входом и выходом турбины. Мощность одной паровой турбины достигает 1000 МВт.

В зависимости от типа теплового процесса паровые турбины делятся на три группы: Конденсационные турбины, тепловые турбины и специальные турбины. В зависимости от типа турбинных ступеней они делятся на активные и реактивные.

Конденсационные паровые турбины

Конденсационные паровые турбины предназначены для преобразования как можно большего количества тепла пара в механическую работу. Они работают путем испарения отработанного пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум (отсюда и название). Конденсационные турбины могут быть стационарными или переносными.

Стационарные турбины строятся на одной оси с генераторами. Эти агрегаты называются турбогенераторами. Тепловые электростанции с конденсационными турбинами называются конденсационными электростанциями (КЭС), основным конечным продуктом которых является электроэнергия. Лишь небольшая часть тепловой энергии используется для собственных нужд электростанции и иногда для обеспечения теплом близлежащих населенных пунктов. Обычно это деревня энергетиков. Доказано, что чем выше мощность ветровой турбины, тем она экономичнее и тем ниже стоимость одного кВт установленной мощности. Поэтому в конденсационных установках используются турбогенераторы с большей мощностью.

Скорость вращения ротора стационарного турбогенератора связана с электрической частотой 50 герц. Для двухполюсных машин 3000 об/мин, для четырехполюсных машин 1500 об/мин каждая. Частота вырабатываемой электроэнергии является одним из важнейших показателей качества поставляемой электроэнергии. Современные технологии позволяют поддерживать скорость с точностью до трех оборотов в минуту. Резкое снижение электрической частоты приводит к отключению питания и аварийному отключению устройства, в котором возникла неисправность.

Паровые турбины на электростанциях могут использоваться, в зависимости от их назначения, как базовые турбины, которые несут постоянную основную нагрузку, как пиковые турбины, которые работают в течение коротких периодов времени для удовлетворения пиковых нагрузок, и как вспомогательные турбины, которые питают электростанцию. Основные турбины требуют высокого КПД при нагрузке, близкой к полной (около 80 %), пиковые турбины требуют быстрого запуска, а вспомогательные турбины требуют особой эксплуатационной надежности. Все паровые турбины для электростанций рассчитаны на 100 000 часов работы (до ремонта).

Конденсационные паровые турбины

Схема работы конденсационной турбины: Свежий (кислый) пар из котельной (1) поступает через паровой канал (2) на рабочие лопатки паровой турбины (3). В процессе расширения кинетическая энергия пара преобразуется в механическую энергию для вращения ротора турбины, который установлен на валу (4) с электрогенератором (5). Отработанный пар из турбины направляется в конденсатор (6), где охлаждается путем теплообмена с циркулирующей водой (7) водоема-охладителя, градирни или резервуара по трубопроводу (8) через насос (9) обратно в котельную. Большая часть произведенной энергии используется для выработки электричества.

Теплофикационные паровые турбины

Экстракционные паровые турбины используются для одновременной выработки электроэнергии и тепла. Однако самым важным конечным продуктом этих турбин является тепло. Тепловые электростанции с вытяжными паровыми турбинами называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Паровые турбины с рекуперацией тепла включают турбины с противодавлением, турбины с управляемым отбором, турбины с отбором и противодавлением.

В случае турбин с противодавлением весь пар из выхлопных газов используется для технологических целей (приготовление пищи, сушка, отопление). Электрическая мощность установки с такой паровой турбиной зависит от потребности в паре для отопления производственной или отопительной установки и изменяется соответствующим образом. Поэтому турбина с противодавлением обычно работает параллельно с конденсационной турбиной или с энергосистемой для покрытия возникающего дефицита мощности.

В турбинах с регулируемой экстракцией часть пара отбирается через 1 или 2 промежуточные ступени, а оставшийся пар подается в конденсатор. Давление вытяжки поддерживается в пределах, установленных системой управления. Точка отбора (ступень турбины) выбирается в соответствии с желаемыми параметрами пара.

В турбинах с отбором и противодавлением часть пара отбирается через 1 или 2 промежуточные ступени, а весь выходящий пар подается через линию отбора в систему отопления или в сетевые нагреватели.

Конденсационные паровые турбины

Схема работы тепловой турбины: Свежий (острый) пар из котельной установки (1) подается по паропроводу (2) на рабочие лопатки цилиндра высокого давления (ЦВД) паровой турбины (3). Во время расширения кинетическая энергия пара преобразуется в механическую энергию для вращения ротора турбины, который соединен с валом (4) электрогенератора (5). Во время расширения пара тепло отбирается из цилиндров промежуточного давления, а пар подается в сетевые водонагреватели (6) (7). Отработанный пар с последней ступени направляется в конденсатор, где он конденсируется и затем возвращается в котельную по трубам (8) через насос (9). Большая часть тепла, вырабатываемого в котле, используется для нагрева отопительной воды.

Два принципа работы пара в турбине

Из этого следует, что, используя расширение пара в турбине, можно получить механическую работу, соответствующую имеющейся разности тепла за вычетом потерь. Процесс преобразования тепловой энергии в механическую работу может осуществляться различными способами в зависимости от типа турбины.

Турбины, в которых пар расширяется только в неподвижных соплах перед входом в лопатки, называются активными турбинами.

Турбины, в которых пар расширяется не только перед входом в (движущиеся) рабочие лопатки, но и во время прохождения между ними, называются реактивными турбинами. Если тепловые потери на соплах составляют около половины от общих тепловых потерь (или меньше), турбина называется реактивной.

Давление струи жидкости в сопле зависит от скорости потока жидкости, скорости жидкости, входящей и выходящей из поверхности, формы поверхности сопла, угла наклона струи по отношению к поверхности и разности давлений между жидкостью выше и ниже сопла. Это не означает, что струя должна ударяться о лопатку; наоборот, этого всегда следует избегать и стремиться к равномерному потоку вокруг лопатки, а не к удару о нее.

Тот факт, что пар обтекает лопатку, подобно воздуху, обтекающему аэродинамическое крыло, создает разное давление на обеих сторонах лопатки: давление на полой стороне всегда выше, чем на выпуклой. Таким образом, на вогнутую сторону действует сила, которая заставляет крылья двигаться и совершать работу. Отец русской авиации», профессор Н.Е. Жуковский, установил важнейшие законы для определения «подъемной силы» крыла реактивного самолета; применение этих законов помогает конструкторам современных турбин разрабатывать наилучшие профили лопаток, вызывающие низкие потери.

Однако при фундаментальном изучении преобразования энергии турбины и проектирования турбин более целесообразно и очевидно рассматривать отдельно высокоактивную и реактивную фазы и процессы, происходящие в них. В этом случае часто вводятся определенные упрощения; в частности, поток пара в соплах и между лопатками в некоторых случаях рассматривается как непрерывный поток несжимаемой жидкости, которая имеет одинаковые скорости и давления в каждой точке входного или выходного сечения.

Далее будет подробно рассмотрена работа активной и реактивной ступеней турбины.

Активный принцип

Поскольку кинетическая энергия тела пропорциональна квадрату его скорости, даже тела с очень малой массой, движущиеся с большой скоростью, могут обладать большой кинетической энергией. С другой стороны, кинетическая энергия чрезвычайно быстро уменьшается при снижении скорости тела. Согласно закону сохранения энергии, любое тело, движущееся с определенной скоростью и замедляющееся в своем движении, должно вернуть всю энергию, которую ему пришлось затратить, чтобы достичь скорости, с которой оно движется.

Когда луч ударяется о плоскую поверхность, перпендикулярную направлению движения луча, возможны два случая:

(a) поверхность неподвижна; тогда кинетическая энергия струи, которая замедляется при ее движении, частично преобразуется в тепловую энергию, а частично используется для отбрасывания частиц жидкости к краю и назад, образуя вихри в струе и разрушая поверхность. Из-за неподвижности поверхности не совершается никакой полезной работы.

(b) Поверхность можно перемещать (рис. 6,a); тогда кинетическая энергия частично преобразуется в работу по перемещению поверхности, которая может быть полезной, а частично расходуется без необходимости (как в случае неподвижной поверхности).

пример действия струи пара на поверхности разной формысхема действия центробежных сил паровой струи на лопатку турбины

Очевидно, что в паровой турбине потери энергии, т.е. та часть энергии, которая не преобразуется в полезную работу, должна быть минимальной; кроме того, струя пара не должна повреждать поверхности лопаток, на которые она направлена. Сопла лопаток турбины должны быть выбраны таким образом, чтобы струя пара равномерно входила в лопатки при выходе из сопла и передавала им как можно больше своей энергии.

Расчетами и экспериментами установлено, что поверхность тела, на которое направлена струя, должна иметь такую форму, чтобы направленная на нее струя поворачивала и изменяла направление своего движения (рис. 6,б).

Законы механики объясняют взаимодействие между лучом и объектом. Центробежная сила действует на объект (лезвие) со стороны изогнутого, движущегося луча; она распространяется по поверхности лезвия, оказывает на него давление и заставляет его двигаться и совершать работу.

На рисунке 7 показано полукруглое лезвие. Предположим, что на него направлена струя пара. Каждая частица пара действует на лопасть с силой, равной центробежной силе и направленной вдоль линии, перпендикулярной поверхности лопасти, т.е. вдоль линии, соединяющей центр A полукруга лопасти с центром тяжести частицы. Рассмотрим три такие частицы a, b и c. Центробежные силы P, которые исходят от частиц a и c, могут быть разложены на силы P в соответствии с законами механики1вертикально направленные и в силы P2горизонтально направленные. Вертикальные силы P1направлены в противоположные стороны и, поскольку имеют одинаковое значение, являются взаимоуничтожающими, т.е. не влияют на движение лопасти.

Горизонтальные силы P2тем больше, чем ближе частица находится к точке В, где P21и P1=0. Сумма сил P2это сила, которая перемещает лопатку вправо; умножение этой силы на расстояние, пройденное лопаткой, дает чистую работу, совершенную струей пара. Условия, при которых эта работа будет как можно меньше, объясняются ниже.

Легко видеть, что когда лопатка (рис. 7) под действием внешней силы движется с той же скоростью, что и направленная на нее струя пара, она не сопротивляется потоку и не извлекает из него хотя бы часть высокоскоростной энергии. Такое же явление происходит, когда скорость лопасти больше скорости струи; в этом случае лопасть просто движется вперед и обгоняет струю.

Представим теперь, что лопатка неподвижна; тогда струя пара, направленная к изогнутой поверхности лопатки, не совершит никакой работы в своем движении, но изменит направление своего движения на противоположное и выйдет из лопатки с той скоростью, с которой она в нее вошла, если не принимать во внимание небольшие потери, связанные с трением поверхности лопатки; следовательно, кинетическая энергия струи останется неиспользованной.

Теперь рассмотрим следующий пример: Предположим, что скорость вытекающего пара равна 500 м/с, а скорость лопатки — 250 м/с; в этом случае струя входит в лопатку с относительной скоростью 250 м/с и, изменив направление движения, выходит из нее со скоростью также 250 м/с относительно лопатки.

Однако, поскольку заслонка движется вперед со скоростью 250 м/с, скорость возврата струи равна и противоположна скорости заслонки и будет равна нулю относительно любой фиксированной точки в пространстве.

Из этого можно сделать вывод, что для полного использования кинетической энергии пара скорость движения активной лопатки турбины должна быть ниже скорости струи пара, выходящей из сопла, в 2 раза.

Скорость пара, выходящего из сопла, зависит, как упоминалось выше, от разницы между его начальной и конечной энтальпией. Чем больше разница в теплоте при расширении пара, тем больше скорость оттока пара. Современные котлы рассчитаны на давление 35-90 ата и выше (до 300 ата), пар, выходящий в турбине, обычно направляется в конденсатор, где давление поддерживается на максимально низком уровне. Если для достижения скорости сразу же применить подходящий перепад тепла, то достигаются значения более 1000 м/с. При расширении насыщенного пара от сравнительно низкого давления 10 ата до давления 0,1 ата (в конденсаторе) скорость истечения достигает, например, 1167 м/с, т.е. явно превышает скорость полета пули, выпущенной из винтовки. При использовании перегретого пара скорость оттока еще выше, поскольку имеющиеся тепловые градиенты увеличиваются.

Чтобы наилучшим образом использовать кинетическую энергию пара, скорость u на центральной окружности лопастного колеса, как мы показали, должна быть всего в 2 раза меньше скорости c1скорость пара, выходящего из сопла. Для скорости оттока пара с1= 1200 м/с. Скорость u на центральной окружности ротора должна составлять 600 м/с. Реализация такой высокой окружной скорости в турбине пока невозможна, поскольку еще не существует материалов, способных выдерживать огромные напряжения, вызванные центробежной силой, которые возникают при окружных скоростях более 400 м/с. Отклонение от наиболее благоприятного у/с1приводит к значительному снижению эффективности турбины.

Таким образом, в одноступенчатой турбине с хорошей эффективностью могут быть использованы только относительно низкие тепловые потери.

Для турбин с малым расходом и высокой скоростью пара диски должны иметь небольшой диаметр, чтобы лопатки не опускались слишком низко. Кроме того, диски малого диаметра легче производить в лучшем качестве. Однако малые диаметры дисков и высокие окружные скорости приводят к большому числу оборотов.

Состав паротурбинной установки

  • Парогенератор, в котором питательная вода под соответствующим давлением превращается в пар;
  • Пароперегреватель, в котором осуществляется повышение температуры пара до заданной величины (может отсутствовать);
  • Турбина, в которой потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а последняя — в механическую энергию на валу;
  • Конденсатор, предназначенный для конденсации отработавшего пара турбины;
  • Конденсатный насос, подающий конденсат в систему;
  • Питательный насос, подающий питательную воду в парогенератор;
  • Регенеративные подогреватели питательной воды.

Турбины Парсонса (реактивные турбины) и турбины Кертиса (активные турбины) использовались в основном на кораблях. Эти типы турбин различались по принципу расширения пара. Турбины также подразделялись на основные и вспомогательные типы. Наиболее важными из них были конденсационные турбины, в которых весь отработанный пар поступал в конденсатор и приводил в движение гребной винт напрямую или через редуктор. Вспомогательные турбины приводили в действие различные насосы, генераторы и вентиляторы. Основные турбины имели двойную оболочку — низкого и высокого давления. Каждая турбина состояла из нескольких ступеней (ступень — два ряда смежных лопаток, прикрепленных к корпусу или барабану), которые могли быть либо скоростными, либо напорными. В корпусе турбины низкого давления находятся возвратные лопатки. Если судно оснащено винтом с регулируемым шагом, турбина низкого давления не нужна. В настоящее время паровые турбины могут использоваться в сочетании с атомной электростанцией.

Турбина Кертиса

Простейшая одноступенчатая паровая турбина состоит из следующих основных частей: Насадка, вал и диск с рабочими лопастями, прикрепленными к краю диска. Вал вместе с диском является самой важной частью турбины и называется ротором.

Активная ступень паровой турбины. 1 — направляющие лопатки; 2 — рабочие лопатки; 3 — вал ротора.

Ротор расположен внутри корпуса турбины. Оси вала установлены на опорных подшипниках. Пар расширяется от начального давления до конечного давления в сопле или группе сопел, расположенных в корпусе перед вращающимися рабочими лопастями. В соплах создается тепловая разница, которая используется для генерирования кинетической энергии струи пара. В процессе расширения скорость пара увеличивается. В каналах рабочих сопел скорость уменьшается, кинетическая энергия пара снижается. Когда струя пара ударяется о лопатки, часть ее кинетической энергии преобразуется в механическую работу на валу турбины. Другими словами: В активной турбине весь процесс расширения и, следовательно, ускорения пара происходит только в неподвижных каналах (соплах), а в рабочих лопатках происходит только преобразование кинетической энергии в механическую работу без дополнительного расширения струи пара.

Пароводяная циркуляционная система судовой паротурбинной установки

Схематическое изображение системы пароводяного цикла морской паротурбинной установки.

В схеме пароводяного цикла морской паровой турбины топливо поступает в парогенератор, где оно вступает в реакцию с кислородом воздуха и окисляется. Горячие продукты сгорания нагревают питательную воду в трубах за счет конвекции и излучения и превращают ее в пар. Полученный пар под высоким давлением поступает в турбину, где он приводит в движение турбинное колесо, а также через редуктор приводит в движение гребной вал. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе. Охлаждающей средой в конденсаторе является морская вода, которая подается через циркуляционные насосы. Конденсат, охлажденный до необходимой температуры, перекачивается конденсатным насосом в подогреватель низкого давления. Часть пара, извлекаемого из турбины, служит теплоносителем. Конденсат, нагретый до необходимой температуры, подается обратно в парогенератор питательным насосом, замыкая контур.

Особенности работы

В данном случае следует отметить, что в турбине могут использоваться различные принципы работы. Они отличаются друг от друга и зависят от конструкции устройства:

  1. Реактивный принцип. К этому оборудованию относится то, где расширение пара начинается до его поступления на лопатки и во время прохода по ним.
  2. Активный принцип. Здесь сообщение пара с дисками начинается в неподвижных соплах перед поступлением на лопатки.

Если тепло на соплах снижается примерно наполовину, то турбоагрегат, согласно его определению, также называется реактивным.

Активный принцип

Принцип работы паровой турбины основан на том, что любое тело обладает большей энергией, когда оно движется с большой скоростью. Однако необходимо учитывать один момент: Энергия быстро уменьшается по мере уменьшения скорости. Таким образом, существует несколько вариантов:

  1. Удар пара о статичную платформу. В этом случае энергия, которую имеет тело, частично перейдет в тепловую, а оставшаяся расходуется на то, чтобы отвести частички жидкости назад. Безусловно, какой-то полезной работы не происходит.
  2. Удар об движущуюся поверхность. В этом случае определенная часть энергии затрачивается на то, чтобы сместить платформу, а оставшаяся так же потратится впустую.

При применении принципа действия в турбине применим только последний вариант. Однако следует четко понимать, что потери энергии на ненужные процессы во время работы оборудования должны быть сведены к минимуму. Второе требование — поток пара должен быть направлен таким образом, чтобы он не деформировал диски при ударе. Этого можно достичь только с помощью специально разработанной формы лезвия.

Идеальной является поверхность, обеспечивающая равномерное вращение, после которого пар направляется в противоположном направлении. Другими словами, лопасти должны быть полукруглыми. Таким образом, большая часть энергии передается диску при ударе о поверхность, заставляя его вращаться. Потери сводятся к минимуму.

Механическое оборудование

Статор, который имеет вращающийся ротор и металлический корпус

Конструкция устройства состоит из трех цилиндров, статора, в котором находится вращающийся ротор и металлического корпуса. Отдельно установленные роторы соединены звеньями. Цепь, состоящая из котла, генератора и роторов, называется валом. Его максимальный размер может достигать 80 метров.

Вал вращается на втулках в опорных подшипниках. Вся операция происходит в маслянистой среде, вал не касается металлических элементов рукавов. Сегодня роторы установлены на двух подшипниках.

В некоторых случаях между роторами, относящимися к DDC и VDC, имеется только один подшипник. Пар, поднимающийся в турбине, заставляет роторы вращаться. Общая мощность, генерируемая отдельными элементами, складывается в общую цифру на полпути через муфту и достигает здесь своего максимума.

Кроме того, все детали подвергаются осевому усилию. Они суммируются, и общая сумма передается сверху на нажимные элементы, установленные в корпусе подшипника.

Паровые турбины

Паровая турбина

Паровая турбина — это паровой двигатель, в котором лопасти ротора вращаются под действием струи пара и вырабатывают электроэнергию. AGT предлагает паровые турбины с различными тепловыми циклами и конфигурациями для использования во всех отраслях промышленности: Металлургия, нефтепереработка, химическая промышленность, коммунальное хозяйство, электростанции на биомассе и заводы по переработке отходов.

Принцип работы паровых турбин

Паровые турбины работают по следующему принципу: в паровом котле вырабатывается пар, который под высоким давлением проходит через лопатки турбины. В результате устройство вращается и вырабатывает механическую энергию. Эта энергия поступает в генератор и используется для производства электричества. Производительность системы зависит от перепада давления пара, создаваемого на входе и выходе устройства. AGT выбирает паровую турбину, исходя из принципа работы и целей вашей установки.

Чтобы паровая турбина работала эффективно и с минимальными потерями, пар должен подаваться при высокой температуре и давлении. Поэтому к котельным предъявляются высокие требования. Преимущество этой технологии производства электроэнергии заключается в том, что можно использовать любой вид топлива, включая твердое топливо. Однако следует помнить, что твердое топливо и нефтяные фракции могут влиять на экологические показатели системы.

Код Мощность Скорость Давление на входе Температура питания Давление выхлопных газов Потребление пара
кВт Обороты в минуту МПа С МПа Т/Н
М20 132-750 3000 0.5-2.35 225-330 0.15-0.3 3.54-13.86
М21 250-1000 3000 2.0-2.45 260-390 0.2-0.98 4.76-33
М30 300-700 3000 0.7-1.1 270-330 0.15-0.3 5.88-15.26
М32 1000-2500 3000 2.35-4.0 390-450 0.78-0.98 23.36-43.7
М40 250-1250 3000 0.8-1.0 250-330 0.15-0.55 4.6-21.5
М60 1000-2000 3000 2.35-4.0 390-445 0.297-0.785 17.41-31-32
М70 1000-2500 3000 0.6-1.27 260-300 0.2-0.5 23.2-48.8
M51A 750-1500 1500-6500 2.35-3.43 390-435 0.294-0.98 9.6-30
Т4 3000-6000 3000-6000 3.43 435 0.294-1.57 27.27-118.7
Конденсационная паровая турбина
Код Текущий Скорость Давление на входе Температура на входе Давление выхлопных газов Потребление пара
кВт Обороты в минуту МПа С МПа Т/Н
М80 1500 5600-3000 1 300 0.0103 8.8
Q02 1500 6500-1500 2.35-0.2 390 0.0103 8.4
Q03 3000 5600-3000 2.35-0.2 390 0.0103 16.1

Состав паровых турбин

Основной состав паровых турбин примерно одинаков для всех моделей. Паровая турбина состоит из корпуса, лопастей ротора и сопла. Пар подается в устройство из внешнего источника. При прохождении через сопла потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию струи пара. Пар выходит из форсунок через сопла специальной формы и начинает вращать ротор. Пар движет лопасти с высокой скоростью под углом к плоскости лопастей.

В некоторых вариантах реализации паровая турбина имеет сопловое устройство, состоящее из ряда неподвижных лопаток. Они расположены радиально и изогнуты в направлении входящего потока.

Специалисты в данной области техники считают, что паровые турбины располагаются на одной оси с энергопотребляющим оборудованием. Прочность материалов, из которых изготовлены лопасти и диск, зависит от скорости вращения рабочего колеса. Многоступенчатые турбины позволяют более эффективно преобразовывать энергию пара… Специалисты AGT проектируют паровые турбины таким образом, чтобы они располагались на одной оси с энергопотребляющим оборудованием. Прочность материалов лопастей и дисков определяет скорость вращения рабочего колеса. Многоступенчатые турбины позволяют более эффективно преобразовывать энергию пара.

Тепловые циклы паровых турби

  • Экологически чистый цикл Ранкина. Пар поступает в установку от внешнего источника. В этой ситуации между ступенями нет дополнительного прогрева и отмечаются потери тепла;
  • Цикл с промежуточным подогревом. Пройдя первые ступени, пар направляется в теплообменник для дополнительного подогрева. Далее он возвращается в оборудование, где и происходит окончательное расширение. При повышении температуры рабочего тела значительно повышается экономичность;
  • Цикл с промежуточным отбором, утилизацией тепла отработанного пара. При выходе из турбины пар имеет значительное количество тепловой энергии, которая рассеивается в конденсаторе. Некоторую часть энергии можно отобрать на промежуточных ступенях, а часть — при конденсации. Эту энергию можно использовать для технологических процессов.
Оцените статью
Uhistory.ru
Добавить комментарий