Турбіна, як основний двигун сучасної ТЕС і АЕС

Парова турбіна являє собою двигун, в якому потенційна енергія пари перетворюється в кінетичну, а остання в свою чергу перетворюється в механічну енергію обертання валу.

Вал турбіни безпосередньо або за допомогою зубчатої передачі з’єднюється з робочою машиною. В залежності від призначення робочої машини парова турбіна може бути використана в самих різних областях промисловості, в енергетиці, на транспорті, в авіації і т.д.

Парова турбіна, як силовий двигун може бути використаний в промисловості тільки в сукупності з другим енергетичним обладнанням.

Перетворення потенційної енергії пари в механічну енергію обертання валу турбіни здійснюється різними способами. В залежності від характеру перетворення потенційної енергії пари в кінетичну енергію струї розрізняють: активні, реактивні і комбіновані турбіни (активно-реактивні).

Схема простої одноступеневої турбіни:

Складається із наступних основних частин:

1. Вал;

2. диск;

3. робочі лопатки;

4. сопло;

5. корпус;

6. випускний патрубок.

Вал разом з насадженим диском складає важливу частину турбіни і носить назву ротор турбіни.

Корпус носить назву статор турбіни.

Розширення пари від початкового до кінцевого тиску відбувається в одному соплі або в групі сопл, які закріплені в корпусі перед робочими лопатками обертового диска. Пониження тиску пари в соплових каналах супроводжується зменшенням його тепловмісту; в соплах спрацьовується тепло, яке перетворюється в швидкісну енергію парової струї. В процесі розширення пари в соплах швидкість її зростає від початкової величини перед соплами до за соплами. В каналах робочих лопаток проходить пониження швидкості від до , тобто понижується швидкісна енергія пари яка була набута в соплах за рахунок розширення. Швидкісна енергія струї пари яка діє на робочі лопатки, здійснює механічну роботу на валу ротора турбіни.

Турбіни, в яких весь процес розширення пари проходить тільки в нерухомих каналах (соплах), а швидкісна енергія пари перетворюється в механічну роботу на робочих лопатках (без розширення в них пари), називаються активними турбінами.

Турбіни, в яких розширення пари проходить не тільки в каналах між нерухомими лопатками, а і в каналах між робочими лопатками, причому загальний перепад тепла в ступені розподіляється приблизно порівну між ними, називаються реактивними турбінами.

Пара, яка поступає із котла в турбіну називається свіжою парою.

Пара, яка покидає останній ряд рухомих лопаток турбіни, називається відпрацьованою парою.

Два суміжних рядів лопаток, закріплених відповідно в корпусі і на роторі турбіни утворюють так названу ступень турбіни.

Турбіна, яка має декілька послідовно розташованих рядів нерухомих (направляючих) лопаток і відповідно такаж кількість рядів рухомих (робочих) лопаток, називаються багатоступеневі турбіни. Всі ступені турбіни складають її проточну частину.

Класифікація турбін

В залежності від конструктивних особливостей, характеру теплового процесу, параметрів свіжої і відпрацьованої пари і використання в промисловості парові турбіни можна розділити на наступні основні типи:

1. По кількості ступенів:

а) одноступеневі турбіни з одною або декілька ступенями швидкості, звичайно невеликої потужності; ці турбіни застосовують головним чином для приводу відцентрових насосів, вентиляторів і інших аналогічних механізмів;

б) багатоступеневі турбіни активного і реактивного типу; виготовляються малої, середньої і високої потужності.

2. По направленню потоку пари:

а) осьові турбіни, в яких потік пари рухається повздовж осі турбіни;

б) радіальні турбіни, в яких потік пари рухається в площині, перпендикулярній осі обертання турбіни.

3. По кількості корпусів (циліндрів):

а) однокорпусні (одноциліндрові);

б) двохкорпусні (двохциліндрові);

в) трикорпусні (трициліндрові);

г) чотирикорпусні (чотирициліндрові).

Багатоциліндрові турбіни, у яких вали окремих корпусів складають продовження один одного і приєднанні до одного генератора, називаються одновальними; турбіни з паралельним розташуванням валів називаються багатовальними. Кожний вал має свій генератор.

4. По принципу паророзподілу:

а) турбіни з дросельним паророзподілом, у яких свіжа пара поступає через один або декілька одночасно (в залежності від розвинутої потужності) відкриваючих клапанів;

б) турбіни з сопловим паророзподілом, у яких свіжа пара поступає через два або декілька послідовно відкриваючих регулюючих клапанів;

в) турбіни з обвідним паророзподілом, у яких, крім підводу свіжої пари до сопл першої ступені, є ще підвід свіжої пари до одної, двох чи навіть трьох проміжних ступенів турбіни.

5. По принципу дії пари:

а) активні турбіни, в яких потенційна енергія пари перетворюється в кінетичну в каналах між нерухомими лопатками або в соплах, а на робочих лопатках кінетична енергія пари перетворюється в механічну роботу;

б) реактивні турбіни осьові, в яких розширення пари в каналах між направляючими і робочими лопатками кожної ступені проходить приблизно в однаковій степені;

в) реактивні турбіни радіальні, які не мають нерухомих направляючих лопаток;

г) реактивні турбіни радіальні, які мають нерухомі направляючі лопатки.

6. По характеру теплового процесу:

а) конденсаційні турбіни з регенерацією; в цих турбінах основний потік пари при тисках нижче атмосферного направляється в конденсатор; крім цього із проміжних ступенів здійснюється частковий, нерегулюючий по тиску відбір пари для підігріву живильної води; кількість таких відборів буває від 2-3 до 8-9;

б) конденсаційні турбіни з одним або двома регулюючими по тиску відборами пари із проміжних ступенів для виробничих і опалювальних цілей при частковому пропуску пари в конденсатор;

в) турбіни з протитиском, тепло відпрацьованої пари яких використовується для опалювальних або виробничих цілей; до цього типу турбін (декілька умовно) можна віднести також і турбіни з погіршеним вакуумом; тепло відпрацьованої пари цих турбін може використовуватись для опалення і технологічних цілей;

г) передвключенні турбіни; це також турбіни з протитиском, але їх відпрацьована пара використовується для роботи в турбінах середнього тиску; такі турбіни звичайно працюють при високих параметрах свіжої пари і застосовуються при надбудові електростанцій середніх параметрів з метою підвищення економічності їх роботи;

д) турбіни з протитиском і регулюючим по тиску відбором пари із проміжної ступені; турбіни такого типу призначені для забезпечення споживача парою різних параметрів;

е) турбіни м’ятої пари, які використовують для виробітку електроенергії відпрацьовану пару молотів, пресів і парових поршневих машин;

є) турбіни двох і трьох тискові з підводом відпрацьованої пари різних тисків до проміжних ступенів турбіни.

Турбіни, що перелічені в пп. “б”-“д”, крім регулюючих відборів пари, мають і нерегулюючі відбори для регенерації.

7. По параметрам свіжої пари:

а) турбіни низького тиску, які використовують м’яту пару з тиском 1,2-2 бар;

б) турбіни середнього тиску, які працюють зі свіжою парою з тиском до 40 бар;

в) турбіни високого тиску, які працюють зі свіжою парою з тиском до 130 бар;

г) турбіни надвисоких параметрів, які працюють з тиском пари до 220 бар;

д) турбіни надкритичних параметрів, які працюють з тиском пари 220 бар і вище.

8. По використанню в народному господарстві:

а) турбіни стаціонарного типу з постійним числом обертів, що призначені для приводу електричних генераторів;

б) турбіни стаціонарного типу із змінним числом обертів, що призначені для приводу повітрядувок, вентиляторів, насосів і т.д.;

в) турбіни нестаціонарного типу із змінним числом обертів; турбіни такого типу знаходять застосування на судах (судові турбіни) і на залізнодорожньому транспорті (турболокомотиви).

Всі перелічені турбіни різних типів в залежності від швидкохідності з’єднюються з робочими машинами безпосередньо або за допомогою різних передач, що понижують число обертів.

Приклади умовних позначень турбін

Т у р б і н а п а р о в а К – 6 – 35

Конденсаційна турбіна без регулюючих відборів пари потужністю 6000 кВт з початковим тиском 35 кГ/см² (34,3 бар);

Т у р б і н а п а р о в а Т – 6 – 35

Конденсаційна турбіна з теплофікаційним регулюючим відбором пари потужністю 6000 кВт з початковим тиском 35 кГ/см² (34,3 бар);

Т у р б і н а п а р о в а П – 6 – 35/5

Конденсаційна турбіна з промисловим регулюючим відбором пари з тиском 5 кГ/см² (абс.) (4,9 бар) потужністю 6000 кВт з початковим тиском 35 кГ/см² (34,3 бар);

Т у р б і н а п а р о в а ПТ – 50 – 130/7

Конденсаційна турбіна з двома регулюючими відборами пари – промисловим з тиском 7 кГ/см² (абс.) (6,8 бар) і теплофікаційним потужністю 50000 кВт з початковим тиском 130 кГ/см² (127,5 бар);

Т у р б і н а п а р о в а Р – 12 – 90/13

Турбіна з протитиском потужністю 12000 кВт з початковим тиском 90 кГ/см² (88,2 бар) і кінцевим 13 кГ/см² (12,74 бар).

Принципові теплові схеми ТЕС

Тепловий цикл пту:

Коефіцієнти корисної дії турбомашини

Термічний ККД ПТУ має вигляд:

де - наявна робота 1 кг пари в ідеальній турбіні;

- робота, яка виконана в ідеальному насосі при стиснені 1кг живильної води;

- кількість теплоти, підведеної до води і пари в котлі;

- ентальпія пари за котлом;

- ентальпія пари в кінці ізоентропійного розширен-ня пари в ідеальній турбіні;

- ентальпія живильної води на вході в котел;

- ентальпія конденсату.

Без врахування роботи живильного насосу, яка для сучасних ПТУ складає небільше 4% , термічний ККД ідеального циклу буде:

де - наявний теплоперепад.

В реальному процесі ,

де - використаний теплоперепад (дійсний);

- ентальпія пари в кінці реального процесу розширення.

Ідеальність проточної частини турбіни характеризується внутрішнім відносним ККД:

відношення дійсного до наявного теплоперепаду.

Ефективність використання в турбіні теплоти, яка передана парі в котлі, визначається по формулі для абсолютно внутрішнього ККД:

Потужності і ккд парової турбіни:

Наявна потужність турбіни:

Внутрішня потужність турбіни:

де - витрата пари, кг/с.

Секундна масова витрата пари:

- виражене в кВт, - в кДж/кг.

Годинна витрата пари:

Теплова економічність конденсаційної паротурбінної установки оцінюється питомою витратою теплоти на виробництво 1 кВтгод електричної енергії:

де - питома витрата пари, кг/(кВтгод).

Ефективна потужність на валу турбіни:

де - втрата потужності на подолання механічного опору в підшипниках.

Механічний ККД:

Відносний ефективний ККД:

ККД генератора:

Відносний електричний ККД:

Абсолютний електричний ККД:

Електрична потужність на зажимах генератора:

кВт

Проміжний перегрів пари на ТЕС

Проміжний перегрів пари дозволяє здійснити додатковий підвід теплоти до робочого тіла і підвищити його працездатність. Застосування проміжного перегріву пари на конденсаційних паротурбінних установках сприяє також зниження кінцевої вологості в послідніх ступенях турбіни, підвищення надійності і економічності їх роботи.

Звичайно застосовується одноступеневий проміжний перегрів пари. Для особливо великих енергоблоків застосовують двоступеневий проміжний перегрів пари.

Недоліки проміжного перегріву пари:

- трубопроводи проміжного перегріву;

- конструкція котельного агрегату.

Параметри проміжного перегріву пари:

При застосуванні проміжного перегріву можна дістати високу температуру пари, близьку до початкової температури і вибрати оптимальний високий тиск проміжного перегріву.

Температура проміжного перегріву вибирається приблизно рівній початковій температурі свіжої пари 540 – 570 С.

Оптимальне значення тиску проміжного перегріву пари можна визначити розрахунками:

При одноступеневому проміжному перегріві пари можна рекомендувати наступне співвідношення тиску пари проміжного перегріву і свіжої пари :

Аналогічно при двоступеневому проміжному перегріву пари оптимальні тиски верхньої і нижньої ступені складають:

і

ККД циклу з проміжним перегрівом пари:

де - додатковий перепад ентальпій від проміжного перегріву;

- додатковий підвід тепла в проміжному перегрівнику.

Регенеративний підігрів живильної води

Для підвищення економічності турбінних установок застосовують регенеративний підігрів живильної води.

Підігрів живильної води в ПТУ здійснюється за рахунок часткових відборів пари із проміжних ступенів парової турбіни.

Принципова теплова схема з трьома відборами пари:

Організація відборів пари на регенерацію живильної води вказує вплив на конструкцію парової турбіни і розміри її проточної частини.

Застосування регенеративного підігріву живильної води підвищує ккд циклів ПТУ.

В турбінах середнього тиску кількість відборів складає 2 – 4.

В сучасних парових турбінах високого тиску до 5 – 7 відборів пари із проміжних ступенів.

В турбінах надвисоких і надкритичних тисків кількість таких відборів досягає до 8 – 9.

Пара, яка відбирається із проміжних ступенів турбіни, поступає в підігрівачі і віддає своє тепло на підігрів живильної води.

Розглянемо принципову схему турбінної установки з трьома відборами пари:

Пара в кількості і із першого, другого і третього відбору відводиться в підігрівачі № 1,2 і 3. Таким чином, витрата пари по ступеням турбіни буде різна: через ступені до першого відбору вона буде рівна , від першого до другого відбору , від другого до третього і після третього відбору до послідніх ступенів .

Так, як витрата пари через ступені турбіни з відборами різна, то при тепловому розрахунку це треба враховувати.

Потужність турбіни виражається формулою:

де - наявні теплоперепади по відсікам турбіни;

- внутрішній відносний ккд по відсікам турбіни.

Можна також написати:

де ; ; частки.

При розрахунку турбіни значення і тиски у відборах беруть із розрахунку схеми регенерації.

Значення і - попередньо оцінюють.

- приймають з графіка.

При значеннях і заданої потужності витрата свіжої пари через турбіну визначається із рівняння: