Паровая турбина
Исчерпывающая информация о паровых турбинах, турбогенераторах, вспомогательном оборудовании турбинного цеха; вопросы устройства и эксплуатации, учебные пособия, статьи, схемы и инструкции, форум турбинистов, иллюстрации, фотографии и многое другое.
Посредством паропровода перегретый свежий пар из котла подводится к паровой турбине, где значительная часть его тепловой энергии преобразуется в механическую работу.
Отработавший пар с сильно пониженным давлением и температурой поступает из турбины в конденсатор, где встречает на своем пути систему трубок, через которые непрерывно прокачивается циркуляционным насосом охлаждающая вода из реки, озера или пруда. Соприкасаясь с холодной поверхностью трубок конденсатора, отработавший пар конденсируется, то есть превращается в воду (конденсат).
Конденсат непрерывно откачивается из конденсатора конденсатным насосом, подающим затем конденсат через подогреватель в сборный бак (деаэратор), откуда питательный насос подает его в паровой котел. Назначение подогревателя- сообщить питательной воде (конденсату) добавочное количество теплоты. В современных паротурбинных установках обычно бывает несколько подогревателей, причем для подогрева питательной воды используется главным образом теплота пара, отбираемого, как это показано на схеме, из промежуточных ступеней турбины в количестве до 15-30% от общего расхода пара; это дает повышение к. п. д. установки по причинам, которые будут изложены ниже.
Таким образом мы видим, что в турбинной установке котловая вода - пар - конденсат образуют замкнутый цикл.При этом теряется только небольшое количество воды и пара. Это количество воды восполняется добавкой в систему сырой воды, проходящей предварительно через водоочиститель, в котором вода подвергается химической обработке для удаления содержащихся в ней примесей.
Тепло отработавшего в турбине пара передается в конденсаторе через трубки охлаждающей (циркуляционной) воде. Так как количество этого тепла велико, а охлаждающая вода должна нагреваться незначительно, то расход у мощных паротурбинных станций очень велик (около 20000 м3/час для станций мощностью 100000 квт). Охлаждающая вода забирается циркуляционным насосам из реки и после конденсатора сливается вновь в реку ниже места забора.
Паровая турбина является тепловым двигателем, машиной, которая преобразует тепловую энергию пара в механическую энергию вращения вала
В паровых турбинах (рис. 1) потенциальная энергия пара после его расширении в соплах 4 - преобразуются в кинетическую энергию движущегося с большой скоростью пара. Струя пара воздействует на изогнутые лопатки 3, закрепленные по окружности диска 2, насаженного на вал 1. Воздействие струи пара на лопатки приводит вал во вращение.
ротор турбины (диски насаженные на вал)
Для того чтобы преобразовать потенциальную энергию пара в кинетическую энергию, необходимо обеспечить ему выход из парогенератора где он находится, через сопло в пространство. При этом, давление пара должно быть выше давления того самого пространства. Пар будет выходить струей со скоростью, которая может быть очень высокой.
Скорость истечения пара из сопла зависит от трех факторов:
- от давления и температуры до расширения;
- от давления в пространстве, куда он вытекает (вакуума /противодавления);
- от формы канала (сопла), сквозь который он вытекает.
Вал турбины соединяется с валом какой либо рабочей машины. В зависимости от назначения рабочей машины паровая турбина может быть применена в самых различных областях народного хозяйства: в энергетике,в металлургии,для привода турбогенераторов, воздуходувных машин, компрессоров, насосов, на водном и железнодорожном транспорте.
Паротурбинная установка - основной тип двигателя на современных атомных и тепловых электростанциях, на которых вырабатывается 85 - 95% электроэнергии, производимой во всем мире.
Паровые турбины обладают большой быстроходностью, как правило 3000 об.мин и сравнительно малыми габаритами и массой. Современная промышленность выпускает турбоагрегаты различных мощностей, существуют аналоги турбин колоссальной мощности - свыше тысячи мегаватт в одном агрегате при высоком уровне экономичности.
Подробно принцип действия паровых турбин.>>>.
| Изобретение паровой турбины нельзя приписать отдельному человеку. Она создана трудами большого числа исследователей и изобретателей, многие из которых остались неизвестными. Попытки создания турбины имеют большую давность. Известно, в частности, что в России в этом направлении успешно работал самоучка Поликарп Залесов, строивший в начале 19 века на Алтае действующие модели турбин. |
Классификации паровых турбин
Паровые турбины строятся в качестве стационарных турбин (используемых главным образом на электростанциях или заводских силовых установках) и транспортных (главным образом судовых турбин). В рамках данной классификации будет рассмотрен первый тип машин.
| По назначению | ||
|
чисто конденсационные - эти турбины служат для преобразования максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. |
теплофикационные а) с противодавлением - весь отработанный пар используется для целей нагрева (производственных или бытовых потребностей). б) с регулируемыми отборами - часть пара отводится для целей нагрева. в) с противодавлением и регулируемыми отборами - используется отработанный пар, и пар из промежуточных отборов турбины. |
специального назначения а)турбины мятого пара - используют отработавший пар невысокого давления после каких либо механизмов. б)турбины двух давлений - используют и свежий и отработанный пар. |
- конденсационная турбина - работают с выпуском отработавшего пара в конденсатор где поддерживается глубокий вакуум. Из промежуточных ступеней этих турбин как правило отбирается некоторое количество пара для целей регенерации (подогрева конденсата). Главное назначение конденсационных турбин в соединении с генераторами переменного тока - выработка электроэнергии.
| По способу расширения пара и действия его на рабочие лопатки | ||
| активные турбины - расширение пара происходит только в неподвижных соплах (до вступления его на рабочие лопатки). | реактивные турбины - теплопадение в соплах составляет менее 50 % от общего теплопадения пара. Расширение (теплопадение) пара более 50 % происходит во время прохождения его между рабочими лопатками ротора турбины. | активно-реактивные турбины (с реакцией) |
Независимо от того, по активному, реактивному или смешному принципу работает турбина, суть происходящих явлений будет оставаться неизменной: если струю пара, вытекающую из сопла, направить на лопатки диска насаженного на вал, то вал начнет вращаться под ее действием.
Кроме того паровые турбины можно классифицировать по:
- числу оборотов;
- направлению движения потока пара;
- числу корпусов;
- числу валов;
- расположению конденсационной установки;
- выполняемым на электростанции функциям и прочее.
на фото турбины мощностью 50 мВт и 900 мВт
Паровые турбины должны обеспечивать длительную работу при температуре охлаждающей воды до 330 С и допускать работу при скользящих начальных параметрах пара.
Турбины должны обеспечивать продолжительную надежную работу при нагрузке от 30 до 100% номинальной для регулирования графиков электрической нагрузки.
Конденсационные турбины должны обеспечивать длительную работу при температуре выхлопного патрубка до 700 С.
В регулировочном диапазоне конденсационные турбины должны допускать изменение установившейся мощности на 5% номинальной со скоростью 2% в секунду от номинальной мощности при любом виде воздействия для целей обеспечения автоматического регулирования частоты в сети и перетоков по ЛЭП.
Турбины должны обеспечивать длительную работу в регулировочном диапазоне при отклонении частоты вращения ротора от 98 до 101% номинальной.
Система регулирования турбины при внезапном сбросе мощности с отключением ТГ от сети во всем диапазоне мощностей, должна ограничивать динамический заброс частоты вращения ротора, не допуская срабатывания автомата безопасности (отрегулированных на срабатывание при повышении частоты вращения на 10-12% сверх номинальной).
Турбины должны допускать возможность мгновенного сброса электрической нагрузки до нуля. Турбины должны обеспечивать восстановление нагрузки до исходного или любого другого значения в регулировочном диапазоне со скоростью не менее 10% номинальной мощности в секунду.
Паровые турбины с теплофикационными отборами должны предусматривать возможность их использования для планового регулирования эл. нагрузки электросети.
Конденсационные турбины рассчитаны на общее количество пусков за весь период эксплуатации не меннее 1000 из холодного состояния (остановы на 24-55 часов) и 2000 из горячего состояния (5-8 часов).
Теплофикационные турбины рассчитаны на общее число пусков за весь срок эксплуатации не менее 600 из различных тепловых состояний.
Турбины должны допускать следующие режимы работы:
- с отключенными подогревателями высокого давления (ПВД);
- с нагрузкой собственных нудж после сброса нагрузки 40 минут;
- на холостом ходу после сброса электрической нагрузки не менее 15 минут;
- на холостом ходу после пуска турбины для проведения испытания генератора не менее 20 часов;
- в моторном режиме (длительность указана в ТУ на турбины конкретных типов).
Надежность турбин: срок службы между ремонтами (со вскрытие цилиндров)не менее 4 лет; для вновь проэктируемого не менее 5 лет.
Наработка на отказ не менее 6000 часов (после периода освоения)
Коэффициент готовности не менее 0,98.
Полный срок службы не менее 30 лет, за исключением быстроизнашивающихся деталей (для вновь проектируемых турбин 40 лет).
Предельная мощность паровых турбин
| Мощность турбины, квт | 5 | 50 | 500 | 1000 | 2000 | 5000 | 10000 | 25000 | 50000 | 100000 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Коэффициент полезного действия | 0,20 | 0,41 | 0,66 | 0,725 | 0,77 | 0,80 | 0,82 | 0,83 | 0,845 | 0,865 |
Принятая еще в СССР и во всех странах Европы частота электрического тока 50 пер/сек приводит к тому, что число оборотов турбины, непосредственно соединенной с генератором, должно быть 1000, 1500 или 3000 в минуту.
Из двух турбин одной и той же мощности и конструкции меньших размеров будет та, которая делает больше оборотов в минуту.
Вес турбины на 3000 об/мин в полтора два раза меньше веса турбины такой же мощности и рассчитанной на те же параметры пара, но на 1500 об/мин.
Кроме того, основные детали быстроходной турбины (валы, диски, корпуса) имеют значительно меньшие размеры, и следовательно, изготовление отливок и поковок и обработка их на заводе облегчаются, удешевляются и не требуют такого мощного оборудования, как для тихоходной турбины такой же мощности.
Снижение веса машины имеет большое экономическое значение.
Наибольшая мощность, на которую можно построить турбину определенного типа, зависит от числа ее оборотов. Предел ставит последняя ступень турбины, которая должна пропустить пар при наибольшем его объеме, причем скорость протекания пара нельзя существенно повышать без ухудшения к.п.д. турбины из-за увеличения выходной потери.
Пропускная способность последней ступени будет тем больше, чем длиннее ее лопатки и чем больше диаметр окружности, на которой они сидят. Ее ограничивают те напряжения в материале, которые можно безопасно допустить, так как с увеличением длины лопаток и диаметра диска или барабана напряжение в материале повышается главным образом в связи с возрастанием центробежных сил.
Турбина наибольшей возможной мощности для определенного числа оборотов называется турбиной предельной мощности.
Это понятие имеет значение только применительно к чисто конденсационным турбинам, так как предельная мощность паровых турбин с противодавлением или большими отборами пара значительно превышает практически выполняемые мощности агрегатов.
"Предельная мощность" не есть какая-то постоянная величина: она непрерывно повышается с прогрессом техники и, в частности, металлургии.
Повышение "предельной мощности" может быть достигнуто при:
1) улучшении качества материала частей ротора и применении специальных конструкций, повышающих его прочность;
2) повышении начальных параметров пара и развитии системы регенерации; это приводит к уменьшению пропуска пара в часть низкого давления при заданной мощности турбины;
3) разделении потока пара в последних ступенях; это приводит к тому, что через проточную часть последней ступени будет проходить не весь пар.
В многокорпусных турбинах пар нередко подводят к середине корпуса низкого давления, откуда он разветвляется в две стороны, каждая из которых имеет точно одинаковые ступени и пропускает половинное количество пара. Такая конструкция носит название двухпоточной.
Предельная мощность турбины может быть также увеличена за счет ухудшения вакуума и увеличения скорости выхода пара из последней ступени, но это снижает экономичность турбины.
Применением сдвоенных и строенных частей низкого давления можно повысить "предельную мощность" до очень большой величины. В связи с этим действующий в настоящее время ГОСТ на типы паровых турбин уже не предусматривает другого числа оборотов, кроме 3000 в минуту. Практически наибольшая мощность, на которую возможно при современном состоянии техники построить турбогенератор, ограничивается уже не турбиной, а генератором, и составляет около 900000 квт при 3000 об/мин.