Как работает паровая турбина: как горячий пар превращается в электричество / Блог компании Toshiba / Хабр

как горячий пар превращается в электричество / Блог компании Toshiba / 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. Почему бы не перегреть пар выше? До недавних пор это считалось чрезвычайно сложным и бессмысленным —нагрузка на турбину и котел становилась критической.

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.

Спустя годы мучительных испытаний Лаваль смог создать активную паровую турбину с одним диском. На диск с лопатками из четырех труб с соплами под давлением подавался пар. Расширяясь и ускоряясь в соплах, пар ударял в лопатки диска и тем самым приводил диск в движение. Впоследствии изобретатель выпустил первые коммерчески доступные турбины с мощностью 3,6 кВт, соединял турбины с динамо-машинами для выработки электричества, а также запатентовал множество новшеств в конструкции турбин, включая такую их неотъемлемую в наше время часть, как конденсатор пара. Несмотря на тяжёлый старт, позже дела у Густафа Лаваля пошли хорошо: оставив свою прошлую компанию по производству сепараторов, он основал акционерное общество и приступил к наращиванию мощности агрегатов.

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. Если Лаваль опирался на активные турбины, то Парсонс создал реактивные группы.

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. Также каждая турбина обязательно проходит стресс-тест при повышенных оборотах — для агрегатов на 3600 оборотов тест предусматривает разгон до 4320 оборотов.

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

Устройство паровой турбины — Уралэнергомаш

Паровая турбина – это тип двигателя, использующего для вращения вала пар или разогретый воздух и который не нуждается во внедрении в конструкцию таких деталей как коленчатый вал, шатун, поршни

С общим устройством выше описанной конструкции многие знакомы еще со школьной скамьи. В научной литературе устройство паровой турбины описывается следующим образом.

Общее строение двигателя

Основная часть двигателя – вал, на который устанавливаются диски и рабочие лопатки, а рядом располагаются такие элементы как трубы-сопла. Последние осуществляют постоянное поступление горячего пара из котла. На момент поступления пара в сопло создается механическое давление на рабочие лопатки, и, следовательно, на всю конструкцию диска. Это давление создает вращающий момент, что заставляет двигаться диски и расположенные на нем лопасти.

Сегодня в паровых турбинах более распространено использование большого количества дисков, нанизываемых на один вращающийся вал. В таком случае работа двигателя осуществляется несколько иначе. Горячий пар, двигающийся через лопатки дисков теряет часть энергии, отдавая ее элементам конструкции. Такое устройство повышает эффективность использования энергии, но и, в свою очередь, требует оборудования котла дополнительного повторного подогрева пара. Наибольшую популярность паровые турбины имеют на тепловых и атомных ЭС, где их работа определяет получение переменного электрического тока. Здесь частота обращения вала может быть близкой 3000 оборотов в минуту. Такое значение позволяет выгодно получать электрическую энергию, вырабатываемую генераторами.

Необходимо отметить, что в настоящий момент паровые турбины также применяются на морсикх и речных судах. Эксплуатация же турбин на летательных аппаратах и в наземном транспорте недоступна из-за высокого потребления воды для нормальной работы генераторов.

Внутреннее и внешнее устройство сопла, его функции

Сопло – одна из наиболее важных частей паровой турбины, именно через него происходит постоянная подача пара.

На момент, когда у конструкторов еще не было достаточно полной информации о процессе расширения пара, сконструировать устройство с высоким коэффициентом полезного действия было невозможно. В первую очередь, это определялось строением сопл, которые на протяжении всей своей длины имели равный диаметр. При этом, проходящий через них пар двигался попадал в область меньшего давления. В таких условиях давление потока закономерно снижалось, преобразуясь в скорость движения. Для нормального насыщения сухого пара, уровень его давления на конце сопла должен быть более 0,58 от его начального уровня. Данное значение получило название критического давления. На его основе вычисляют и максимальную скорость потока, критической скоростью, которое для перегретого пара устанавливается в значении 0. 546 от исходного давления пара.

Но данных условий для рациональной работы двигателя также было недостаточно. Здесь при преодолении трубы сопла пар приходил во вращение из-за расширения потока. Решением данной задачи стало преобразование формы сопла двигателя. Теперь сопло имело более узкий диаметр, который увеличивался при приближении к дискам турбины. Дополнительной особенностью такой формы было то, что на выходе потока удавалось приблизить его давление к значениям давления во внешней среде у конца сопла. Это разрешило проблему вращения пара, что негативно сказывалось на скорости потока, и позволило достичь сверхкритических значений уровня давления.

Строение паровой турбины и принцип действия

Необходимо отметить, что в паровой турбины реализуются два принца действия, определяемых ее конструкцией.

Первый принцип – принцип активных турбин. Подразумеваются те конструкции, где увеличение объема горячего потока происходит в неподвижных труба и до места его перехода на движущийся диск.

Второй принцип – реактивный. К подобным двигателям относят все те, увеличение объема горячего потока в которых осуществляется и до моментов поступлений на вращающийся диск, и в промежуток времени между ними. Также устройства с подобной конструкцией обозначают как работающие на реакции. При условии потери тепла в трубах около половины от всех потерь паровую турбину тоже называют реактивной.

Когда исследуется конструкция двигателя и его основных частей, необходимо отметить и другие процессы. Так поток жидкости, направленной на вращающийся диск, будет производить на него давление. Уровень давления здесь будет находится в прямой зависимости от условий: объема поступающей жидкости, скорость струи при вступлении и выходе к рабочим лопаткам, профилю лопаток и угла падения жидкости на поверхность лопастей. Совершенно не обязательно, чтобы вода била о лопасти, скорее наоборот, такого эффекта чаще избегают и стремятся к плавному касанию струей лопатки.

Функционирование паровой турбины

Что представляет собой конструкция турбины, функционирующей на подобном принципе. Основное внимание привлекает закон, что тело имеет большую кинетическую энергию, если движется с высокой скоростью. Но необходимо понимать – энергия теряется при появлении потерь в скорости. Тогда есть следующие возможные варианты развития событий при соударении горячего потока с лопастью рабочей лопатки, находящейся перпендикулярно его направлению.

Возможен первый вариант: струя сталкивается со статичной поверхностью. Тогда энергия движения частично преобразуется в тепловую, а остаток энергии будет затрачена на движение частиц потока в противоположную от лопасти сторону, назад. Очевидно, что выполненная при этом полезная работа будет минимальна.

Другой вариант: лопасти турбины будут находиться в движении. Тогда определенная часть внутренней энергии затратится на передвижение диска с лопатками, а остаток также исчезнет без совершения какой-либо полезной работы.

В конструкции паровой турбины и процессе ее функционирования – активном –реализуется последний вариант. Конечно, следует учитывать цель – минимизировать нерациональные затраты энергии. Кроме того, необходимо обезопасить лопатки от повреждения при их столкновении с потоком пара. Добиться безопасного протекания процесса можно с помощью установки лопатки с наиболее выгодной для этого формой лопастей.

Посредством проведения обследований и соответствующих вычислений было выявлено, что наиболее приспособленной к столкновению с потоком будет такая форма лопатки, которая сумеет произвести плавный оборот, после чего направление движения струи будет смещено в противоположную сторону. То есть для лопастей следует подобрать форму полукруга. Тогда, при ударе о поверхность лопатки. Пар будет передавать максимум своей внутренней энергии на дис турбины осуществляя таким образом его вращение. Выявляемые в таком случае потери тепла будут приближаться к незначительным.

Принцип работы активной паровой турбины

Строение и общий принцир функционирования двигателя в работе следующий.

Горячий поток с установленными давлением и скоростью направляется в сопло, гда его объем увеличивается до второго значения давления. Соответственно с данным значением увеличивается и скорость движения потока. Приобретая с продвижением по соплу все большую скорость поток достигает рабочих лопаток. Оказывая давление на лопатки, пар осущаествляет дввижение диска и также соединенного с ним вала турбины.

После прохождения через лопатки, поток за счет соударения с препятствиями снижает значени скорости – значительная часть внутренней кинетической энергии преобразуется в мехаическую. Здесь также снижается уровень давления. Однако на входе и выходе с лопаток эти значения пара равны, что обуславливается равными сечениями каналов по всей длине между лопастями рабочих лопаток. Также сохранение исходного состояния пара обуславливается тем, что внутри самих деталей также не происходит дополнительного увеличения исходного объема пара. Для удаления отработанного пара в конструкции турбины существуют специальный патрубок.

Техническое устройство паровой турбины

Конструкция турбины содержит три цилиндра, представляющие собой статоры в неподвижной оболочке, и мощный вращающийся ротор. Несколько разделенных роторов скрепляются муфтами. Цепочка, составленная из роторов цилиндров, генератора электрического тока и возбудителя объединяется в валопровод. Размеры данной структуры конструкции при наибольших размерах ее частей составляет около 80 метров в длину.

При функционировании турбина и ее работа представляют собой следующее. Валопроводом осуществляется вращение в опорных подшибниках скольжения вкладышей. Обороты выполняются на плотном смазочном слое, металлических поверхностей вкладышей в ходе работы вал непосредственно не касается. Сегодня, как правило, роторы устройства устанавливаются на двух опорных подшибниках.

Иногда посреди роторов, относящимися к ЦВД и ЦСД, работает только один опорный подшибник. Поток, увеличивающий свой объем в турбине, принуждает роторы осуществлять вращение. Вырабатываемая роторами энергия соединяется в полумуфте и здесь получает свое наибольшее значение.

Также все элементы испытывают воздействие осевого напряжения. Усилия складываются а их наибольший показатель – осевое напряжение в совокупности – отдается на роторные сегменты.

Техническое строение ротора турбины

Отдельные роторы располагаются в цилиндры. Значения давления в них в современных двигателях нередко доходит до 500 Мпа, поэтому корпуса изготавливаются с двумя стенками, что позволяет снизить различия давления. Также это дает возможность сделать процесс стягивания фланцевых соединений значительно проще и быстрее. С данной мерой предосторожности возможно резкое изменение значения вырабатываемой двигателями мощности.

Необходимым является присутствие горизонтального отверстия, позволяющего осуществить быстрый монтаж деталей внутри корпуса конструкции, а также создает доступ к уже встроенному ротору при выполнении проверки и починки устройства. При монтировании самой турбины все разъемы и отверстия корпуса располагаются соответствующе. В целях упрощения процедуры монтажа паровой турбины согласуется, что все горизонтальные плоскости соединяются в единую.

При дальнейшей установке валоповоротного устройства он располагается в подготовленный горизонтальный разъем, гарантирующий центовку частей. Это требуется в первую очередь для предотвращения возникновения столкновений между статором и ротором в процессе работы двигателя. Данная проблема может создать серьезную аварию паровой турбины. Так как поток пара внутри паровой турбины обладает высокими температурами, а обращение ротора выполняется по смазочному слою, то температура масла не должна превышать 100 ᵒ Цельсия. Такие рамки оптимальны как в соответствии с нормами противопожарной безопасности, так и в целях сохранения смазочных свойств жидкости. В целях достижения данных значений, вкладыши подшибников располагаются вне стенок цилиндра в подготовленных опорах.

Эксплуатация турбин на атомных станциях

Конструкция турбины на атомной электростанции исследуется на примере устройств насыщенного пара, присутствующие только на объектах, эксплуатирующих в качестве источника энергии водяной пар. Первичные показатели конструкций на АЭС обладают невысокими показателями. Поэтому для получения необходимого эффекта через них пропускается большее количество жидкости. В связи с этим повышается влажность, осаждающаяся на элементах конструкций турбин. Решением здесь становятся влагоулавливатели внутри и вне корпусов двигателей.

Повышение уровня влажности также понижает конечный КПД паровой турбины и вызывает появление эрозионного разрушения сопл. Во избежание возможных повреждений детали конструкции хромируются, закаливаются, подвергаются электроискровой обработке. Так в условиях АЗС основной задачей конструкторов является защита конструкций от разрушений высокой влажностью.

Самым рациональным методом удаления лишней жидкости из турбин является метод отбора пара, выполняемый на регенеративные нагреватели. При этом если данные отборы размещаются на турбине поступенчато, тогда они осуществляют полноценное удаление лишней влаги и потребность в установке влагоулавливателей внутри турбин пропадает. Возможные значения влажности напрямую зависят от диаметра лопастей рабочих лопаток и на частоте обращения дисков.

Строение паровых и газовых турбин

Основное преимущество паровой турбины, как и паровых турбин AEG? – отсутствие необходимости соединения с турбинным валом генератора электрического тока. Оно устойчиво к перегрузкам и может управляться с помощью устройства регуляции частоты обращения вала. КПД у них также сравнительно высок, что с принятием во внимание всех других качеств выводит их на первое место по эффективности эксплуатации.

Схожими характеристиками обладают и газовые турбины, который по конструкции почти не отличаются о паровых. Они также являются устройствами лопаточного типа, и движение ротора здесь также осуществляется посредством превращения кинетической энергии потока.

Основное различие – в виде используемого рабочего вещества. Как в паровой таковым является вола, или пар, так в газовой используется газ, выделяемый горючими материалами или представляющий собой состав пара и воздуха. Дополнительной различие в оборудовании, необходимом для выделения данных рабочих веществ. Поэтому в целом конструкции почти одинаковы, но их дополнительное оборудование к ним различно.

Паровая турбина со встроенным конденсатом

Конденсаторы и паровые турбины были исследованы в монографии С.М.Лосева, изданной в 1964 году. Книга вмещала теоретическое описание устройства и функционирования турбин и их конденсаторных установок.

Турбинная установка, расположенная в нагревателе, вмещает несколько сред – водяную, газовую и конденсаторную, которые вместе составляют завершенный цикл. При таком условии в среде в процессе превращений тратится минимальное количество пара и воды. Для их восполнения в установку наливают природную воду, предварительно пропущенную через водоочиститель. Здесь вода выдерживает воздействие химикатов, очищающих ее от лишних примесей.

Принцип действия конденсаторной установки:

  • Поток газа, прошедший через лопатки турбины и имеющий сравнительно более низкое давление и количество тепла, выводится в конденсатор.
  • При этом на пути прохождении пара расположены трубки, с помощью которых насосами вытягивается остывающая жидкость. Зачастую она используется из природных водоемов.
  • При касании холодных стенок трубок пар преобразуется в конденсат, что связано с его более высокой температурой.
  • Образовавшийся конденсат собирается в конденсаторную установку, где попадает в трубки насоса и заливается в деаэратор.
  • Оттуда жидкость опять передается в нагреватель, преобразуется в газ и запускается в новый цикл.

Помимо этих главных элементов и простого алгоритма функционирования, существует перечень других устройств – турбонаддув и подогреватель.

Паровая турбина

Паровая турбина — вид двигателя, в котором энергия пара преобразуется в механическую работу.
Паровая турбина состоит из двух основных частей — ротор с лопатками (подвижная часть турбины) и статор с соплами (неподвижная часть).

В паровой турбине потенциальная энергия сжатого или нагретого пара (обычно водяного) преобразуется в кинетическую, которая в свою очередь преобразуется в механическую через вращение вала турбины — пар, вырабатываемей паровым котельным аппаратом, поступает (через специальные направляющие) на лопатки турбины, закрепленные по окружности ротора, и приводит к его вращению.

Турбины бывают:

  • Конденсационные – предназначены для преобразования максимально возможной части тепла пара в механическую энергию. Бывают стационарными и транспортными.
  • Теплофикационные — предназначены для получения электрической и тепловой энергии.
  • Специального назначения — работают на уходящем тепле от предприятий различного вида (пар, выхлопы и т.д.).

Паровые турбины, как и поршневые двигатели, используются в качестве приводов для различных устройств:

  • Стационарные паровые турбины обычно используют как привода турбогенераторов – устанавливаются на одном валу с генераторами. В качестве конечного продукта системы рассматривается, главным образом, электроэнергия. Тепловая энергия используется лишь в небольшой части. Паровые турбины для электростанций имеют назначенный ресурс в 270 тыс. ч. с капитальным ремонтом в период около 4 лет.
  • Теплофикационные паровые турбины предназначены для одновременного получения как электрической, так и тепловой энергии (по аналогии с когенерационными электростанциями, базирующимися на газопоршневых двигателях). Такие системы называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой паровой турбиной, зависит от фактической нагрузки производства или его потребности в паре. Поэтому ТЭЦ обычно работает параллельно с электросетью, которые покрывают возникающий дефицит в электроэнергии.
  • Транспортные паровые турбины применяются как главные и дополнительные двигатели на кораблях и судах. В отличие от большинства стационарных турбин, транспортные паровые турбины работают с переменной частотой вращения, зависящей от требуемой скорости судна.
Основные отличия турбины от поршневого двигателя.

Паровые турбины и поршневые двигатели имеют ряд существенных отличий, связанных с конструкционными особенностями. Эти отличия существенно влияют на выбор того или иного принципа работы приводного двигателя в разных системах:

  • Электрический КПД в электростанциях. Наивысший электрический КПД – до 34% у турбины и 42% и более у газопоршневого двигателя – достигается при работе со 100%-ной нагрузкой. При снижении нагрузки до 50 % электрический КПД газовой турбины снижается почти в 2 раза (50%). Для газопоршневого двигателя такое же изменение режима нагрузки приведет к снижению КПД всего на 4-5%.
  • Номинальный выход мощности, и поршневого двигателя, и турбины зависит от высоты площадки над уровнем моря и температуры окружающего воздуха. При повышении температуры от –30 °С до +30 °С электрический КПД у турбины снижается на 15–20 %. В отличие от турбины, поршневой двигатель практически не меняет электрический КПД в данном интервале температур.
  • Количество пусков: турбину, из-за резких изменений термических напряжений, возникающих в наиболее ответственных узлах и деталях горячего тракта при пусках агрегата из холодного состояния, предпочтительнее использовать для покрытия базовой нагрузки, не предусматривающей остановы и пуски, так как каждый пуск ведет к снижению назначенного ресурса.
  • Поршневой двигатель может запускаться и останавливаться неограниченное число раз, что не отражается на его моторесурсе. Поэтому поршневой двигатель лучше приспособлен для покрытия пиковых нагрузок.
  • Ресурс до капитального ремонта у турбины  — порядка 30 000 рабочих часов (около 4 лет), у поршневого двигателя этот показатель равен 60 000 рабочих часов (около 8 лет).
  • Стоимость капитального ремонта турбины с учётом затрат на запчасти и материалы несколько выше, чем ремонт поршневой установки — он требует значительно меньше финансовых и людских ресурсов.
  • Капитальный ремонт может проводиться только на специально подготовленном стенде (обычно – на заводе производителе), в отличие от газопоршневого двигателя, который может ремонтироваться на месте.
  • Эксплуатационные затраты на ТЭЦ с поршневыми машинами ниже, чем на ТЭЦ с турбинами. Резкие скачки на графике ГТД — капитальные ремонты двигателя. У эксплуатационных затрат ГПД таких скачков нет.
  • Строительство ТЭЦ на базе поршневых двигателей электрической мощностью до 15 МВт, как правило, ниже чем на базе турбин. Это связано с более сложной монтажной и технологической частью, требующей применение пара.

Для мощностей свыше 15 МВт электрической мощности, строительство ТЭЦ, как правило более целесообразно на базе турбин, так как габаритные размеры и стоимость поршневых электростанций  высокой единичной мощности превышают экономический эффект от их использования в сравнении с турбинами

ПАРОВАЯ ТУРБИНА • Большая российская энциклопедия

ПАРОВА́Я ТУРБИ́НА, тур­би­на, в ко­то­рой в ка­че­ст­ве ра­бо­че­го те­ла ис­поль­зу­ет­ся во­дя­ной пар; слу­жит для пре­об­ра­зо­ва­ния те­п­ло­вой энер­гии па­ра в ме­ха­нич. ра­бо­ту. В от­ли­чие от па­ро­вой ма­ши­ны, в П. т. ис­поль­зу­ют не по­тен­ци­аль­ную, а ки­не­тич. энер­гию па­ра. Осн. на­зна­че­ние П. т. – при­вод (пер­вич­ный дви­га­тель) для ге­не­ра­то­ров элек­трич. то­ка на те­п­ло­вых и атом­ных элек­тро­стан­ци­ях. П. т. и элек­тро­ге­не­ра­тор со­став­ля­ют тур­бо­агре­гат.

Конструкция паровых турбин

Схематический продольный разрез активной паровой турбины с тремя ступенями давления: 1 – кольцевая камера свежего пара; 2 – сопла первой ступени; 3 – лопатки первой ступени; 4 – сопла второй ступени; . ..

П. т. со­сто­ит из двух осн. час­тей – ро­то­ра с ло­пат­ка­ми (под­виж­ная часть тур­би­ны) и ста­то­ра с со­пла­ми (не­под­виж­ная часть). По­ток па­ра, об­ра­зую­щий­ся в па­ро­вом кот­ле, под вы­со­ким дав­ле­ни­ем по­сту­па­ет че­рез на­прав­ляю­щие (ста­тор с со­пла­ми) на кри­во­ли­ней­ные ло­пат­ки тур­би­ны, за­кре­п­лён­ные по ок­руж­но­сти ро­то­ра, и, воз­дей­ст­вуя на них, при­во­дит ро­тор, за­кре­п­лён­ный на од­ном ва­лу с элек­тро­гене­ра­то­ром, во вра­ще­ние (про­ис­хо­дит пре­об­ра­зо­ва­ние те­п­ло­вой энер­гии па­ра в ме­ха­нич. ра­бо­ту). Ка­ж­дый ряд на­прав­ляю­щих и ло­па­ток на­зы­ва­ет­ся сту­пе­нью тур­би­ны (как пра­ви­ло, П. т. име­ет неск. сту­пе­ней). Кор­пус П. т. с не­сколь­ки­ми сту­пе­ня­ми дав­ле­ния раз­де­ля­ют диа­фраг­ма­ми на отд. ка­ме­ры, в ка­ж­дой из ко­то­рых по­ме­щён один из дис­ков с ло­пат­ка­ми (рис.). Пар мо­жет про­ни­кать из од­ной ка­ме­ры в дру­гую толь­ко че­рез со­пла, рас­по­ло­жен­ные по ок­руж­но­сти диа­фрагм. Дав­ле­ние па­ра сни­жа­ет­ся по­сле ка­ж­дой сту­пе­ни, а ско­ро­сти ис­те­че­ния па­ра ос­та­ют­ся при­мер­но оди­на­ко­вы­ми, что дос­ти­га­ет­ся вы­бо­ром со­от­вет­ст­вую­щих раз­ме­ров со­пел.

Ро­то­ры П. т., пред­на­зна­чен­ные для при­во­да элек­трич. ге­не­ра­то­ров, ра­бо­таю­щих на элек­трич. сеть, име­ют фик­си­ро­ван­ную час­то­ту вра­ще­ния – 3000 об/мин в Рос­сии и 3600 об/мин в США и др. стра­нах. Ро­то­ры П. т., пред­на­зна­чен­ных для др. по­тре­би­те­лей мощ­но­сти, мо­гут иметь др. час­то­ту вра­ще­ния, со­от­вет­ст­вую­щую ха­рак­те­ри­сти­кам обо­ру­до­ва­ния по­тре­би­те­ля (напр., транс­порт­ные тур­би­ны). Дав­ле­ние и темп-ра па­ра пе­ред тур­би­ной оп­ре­де­ля­ют­ся её на­зна­че­ни­ем.

Мощ­ные П. т. име­ют слож­ную кон­струк­цию и боль­шие раз­ме­ры (см. рис. к ст. Кон­ден­са­ци­он­ная тур­би­на). Дли­на все­го аг­ре­га­та мо­жет дос­ти­гать 30 м. П. т. рас­по­ла­га­ет­ся на фун­да­мен­те, пред­став­ляю­щем со­бой мно­го­опор­ную жел.-бе­тон. кон­ст­рук­цию, опи­раю­щую­ся на об­щую фун­да­мент­ную пли­ту. Кон­ст­рук­ция П. т. раз­де­ля­ет­ся на неск. ци­лин­д­ров (час­тей) – вы­со­ко­го дав­ле­ния (ЦВД), сред­не­го дав­ле­ния (ЦСД) и низ­ко­го дав­ле­ния (ЦНД). Обыч­но мощ­ная П. т. име­ет один ЦВД, один или два ЦСД и неск. ЦНД. Пар по­сту­па­ет в тур­би­ну, про­хо­дит че­рез ЦВД по­сле­до­ва­тель­но все сту­пе­ни, да­лее че­рез ЦСД (од­ним или дву­мя па­рал­лель­ны­ми по­то­ка­ми), за­тем, раз­ветв­ля­ясь ещё на неск. па­рал­лель­ных по­то­ков, про­хо­дит ЦНД и сбра­сы­ва­ет­ся в кон­ден­са­тор. Раз­ветв­ле­ние по­то­ков пе­ред кон­ден­са­то­ром не­об­хо­ди­мо для уве­ли­че­ния еди­нич­ной мощ­но­сти тур­би­ны, т. к. од­но­по­точ­ная тур­би­на мо­жет вы­ра­ба­ты­вать ог­ра­ни­чен­ную мощ­ность, ко­то­рая за­ви­сит от дли­ны ра­бо­чих ло­па­ток по­след­ней сту­пе­ни. Для обес­пе­че­ния на­дёж­ной экс­плуа­та­ции П. т. ос­на­ща­ет­ся сис­те­мой безо­пас­но­сти, пре­дот­вра­щаю­щей воз­ник­но­ве­ние и раз­ви­тие ава­рий­ных си­туа­ций. Осн. пре­иму­ще­ст­ва П. т.: вы­со­кая еди­нич­ная мощ­ность, ши­ро­кий диа­па­зон мощ­но­стей, вы­со­кий ре­сурс ра­бо­ты. Не­дос­тат­ки П. т.: вы­со­кая инер­ци­он­ность (дол­гое вре­мя пус­ка и ос­та­но­ва), до­ро­го­виз­на строи­тель­ст­ва и ре­мон­та. В П. т., ис­поль­зуе­мых на ТЭС, дав­ле­ние па­ра мо­жет дос­ти­гать 24 МПа и бо­лее, темп-ра – 545–600 °C; мощ­но­сти П. т., ра­бо­таю­щих на ТЭС, – до 1200 МВт, АЭС – до 1900 МВт. Кпд со­вре­мен­ных П. т. дос­ти­га­ет 40–42%.

Классификация паровых турбин

По прин­ци­пу дей­ст­вия вы­де­ля­ют ак­тив­ные тур­би­ны и ре­ак­тив­ные тур­би­ны. По ко­ли­че­ст­ву сту­пе­ней П. т. под­раз­де­ля­ют на од­но­сту­пен­ча­тые и мно­го­сту­пен­ча­тые тур­би­ны. В од­но­сту­пен­ча­той П. т. не уда­ёт­ся дос­та­точ­но пол­но ис­поль­зо­вать энер­гию па­ра, по­это­му совр. П. т. стро­ят мно­го­сту­пен­ча­ты­ми. По на­прав­ле­нию по­то­ка ра­бо­че­го те­ла вы­де­ля­ют осе­вые (ак­си­аль­ные) П. т. (на­прав­ле­ние по­то­ка сов­па­да­ет с на­прав­ле­ни­ем оси ро­то­ра, наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ный тип П.  т., ис­поль­зуе­мых для при­во­да элек­тро­ге­не­ра­то­ров) и ра­ди­аль­ные П. т. (по­ток осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в ра­ди­аль­ном на­прав­ле­нии ли­бо от оси ро­то­ра к пе­ри­фе­рии дис­ков, ли­бо на­обо­рот – от пе­ри­фе­рии к оси). В за­ви­си­мо­сти от дав­ле­ния па­ра П. т. бы­ва­ют: низ­ко­го (не вы­ше 0,9 МПа), сред­не­го (не вы­ше 4 МПа), вы­со­ко­го (9–14 МПа) и сверх­кри­тич. дав­ле­ния (24 МПа и бо­лее).

В за­ви­си­мо­сти от ха­рак­те­ра те­п­ло­во­го про­цес­са П. т. под­раз­де­ля­ют на 3 груп­пы: кон­ден­са­ци­он­ные тур­би­ны, те­п­ло­фи­ка­ци­он­ные и спец. на­зна­че­ния.

Те­п­ло­фи­ка­ци­он­ные П. т. слу­жат для од­но­врем. по­лу­че­ния элек­трич. и те­п­ло­вой энер­гии. Осн. ко­неч­ный про­дукт та­ких П. т. – те­п­ло­та. ТЭС, на ко­то­рых ус­та­нов­ле­ны те­п­ло­фи­ка­ци­он­ные П. т., на­зы­ва­ют­ся те­п­ло­элек­тро­цен­тра­ля­ми. К те­п­ло­фи­ка­ци­он­ным П. т. от­но­сят­ся тур­би­ны с про­ти­во­дав­ле­ни­ем, с ре­гу­ли­руе­мым от­бо­ром па­ра, а так­же с от­бо­ром и про­ти­во­дав­ле­ни­ем. У тур­бин с про­ти­во­дав­ле­ни­ем от­сут­ст­ву­ет кон­ден­са­тор. От­ра­бо­тав­ший пар, имею­щий дав­ле­ние вы­ше ат­мо­сфер­но­го, по­сту­па­ет в спец. сбор­ный кол­лек­тор, от­ку­да на­прав­ля­ет­ся к те­п­ло­вым по­тре­би­те­лям для тех­но­ло­гич. це­лей (вар­ка, суш­ка, ото­пле­ние и др.). В тур­би­нах с ре­гу­ли­руе­мым от­бо­ром часть па­ра от­во­дит­ся из пер­вой или вто­рой про­ме­жу­точ­ных сту­пе­ней, а ос­таль­ной пар идёт в кон­ден­са­тор. Дав­ле­ние от­би­рае­мо­го па­ра на всех ре­жи­мах ра­бо­ты тур­бо­аг­ре­га­та ав­то­ма­ти­че­ски под­дер­жи­ва­ет­ся по­сто­ян­ным или же ре­гу­ли­ру­ет­ся в за­дан­ных пре­де­лах, с тем что­бы по­тре­би­тель по­лу­чал пар оп­ре­де­лён­но­го ка­че­ст­ва. Су­ще­ст­ву­ет два ви­да те­п­ло­вых по­тре­би­те­лей: про­мыш­лен­ные, где тре­бу­ет­ся пар с дав­ле­ни­ем до 1,3–1,5 МПа (про­из­водств. от­бор), и ото­пи­тель­ные, с дав­ле­ни­ем 0,05–0,25 МПа (те­п­ло­фи­ка­ци­он­ный от­бор). Ес­ли тре­бу­ет­ся пар как про­из­вод­ст­вен­но­го, так и ото­пит. на­зна­че­ния, то в од­ной тур­би­не мо­гут быть осу­ще­ст­в­ле­ны два ре­гу­ли­руе­мых от­бо­ра; ме­сто от­бо­ра (сту­пень тур­би­ны) вы­би­ра­ют в за­ви­си­мо­сти от нуж­ных па­ра­мет­ров па­ра. У тур­бин с от­бо­ром и про­ти­во­дав­ле­ни­ем часть па­ра от­во­дит­ся из пер­вой или вто­рой про­ме­жу­точ­ных сту­пе­ней, а весь от­ра­бо­тав­ший пар на­прав­ля­ет­ся из вы­пу­ск­но­го пат­руб­ка в ото­пит. сис­те­му или к се­те­вым по­до­гре­ва­те­лям.

П. т. спе­ци­аль­но­го на­зна­че­ния обыч­но ра­бо­та­ют на от­брос­ном те­п­ле ме­тал­лур­гич., ма­ши­но­стро­ит. и хи­мич. пред­при­ятий. К ним от­но­сят­ся П. т. «мя­то­го па­ра», с про­ме­жу­точ­ным под­во­дом па­ра (тур­би­ны двух дав­ле­ний) и пред­вклю­чён­ные. П. т. «мя­то­го па­ра» ис­поль­зу­ют от­ра­бо­тав­ший пар низ­ко­го дав­ле­ния по­сле тех­но­ло­гич. про­цес­сов (пар порш­не­вых ма­шин, па­ро­вых мо­ло­тов и прес­сов), ко­то­рый по к.-л. при­чи­нам не мо­жет быть ис­поль­зо­ван для ото­пит. или тех­но­ло­гич. нужд. Дав­ле­ние та­ко­го па­ра обыч­но несколько вы­ше ат­мо­сфер­но­го, и он на­прав­ля­ет­ся в спец. кон­ден­сац. тур­би­ну (тур­би­ну «мя­то­го па­ра»). П. т. двух дав­ле­ний ра­бо­та­ют как на све­жем, так и на от­ра­бо­тав­шем па­ре па­ро­вых ме­ха­низ­мов, под­во­ди­мом в од­ну из про­ме­жу­точ­ных сту­пе­ней. Пред­вклю­чён­ные П. т. пред­став­ля­ют со­бой тур­би­ны с вы­со­ким на­чаль­ным дав­ле­ни­ем и вы­со­ким про­ти­во­дав­ле­ни­ем; весь от­ра­бо­тав­ший пар этих П. т. на­прав­ля­ют да­лее в обыч­ные кон­ден­са­ци­он­ные тур­би­ны.

Историческая справка.

Пер­вое уст­рой­ст­во, при­во­ди­мое в дви­же­ние па­ром (эо­ли­пил), бы­ло опи­са­но Ге­ро­ном Алек­сан­д­рий­ским. В Рос­сии П. Д. Кузь­мин­ский в нач. 1890-х гг. по­стро­ил и оп­ро­бо­вал су­до­вую П. т. собств. кон­ст­рук­ции.

П. т. по­лу­чи­ла прак­тич. при­ме­не­ние лишь в кон. 19 в., ко­гда та­кие от­рас­ли, как тер­мо­ди­на­ми­ка, ма­ши­но­строе­ние и ме­тал­лур­гия, дос­тиг­ли не­об­хо­ди­мо­го уро­в­ня. К. Г. П. де Ла­валь (1878) и Ч. А. Пар­сонс (1884) соз­да­ли пер­вые про­мыш­лен­но при­год­ные па­ро­вые тур­би­ны. В П. т. Пар­со­нса ис­поль­зо­ван прин­цип по­сту­пен­ча­то­го рас­ши­ре­ния па­ра, ко­то­рый ле­жит в ос­но­ве кон­ст­рук­ции совр. па­ро­вых тур­бин.

В Ев­ро­пе П. т. по­лу­чи­ли все­об­щее при­зна­ние в ка­че­ст­ве при­во­да элек­тро­ге­не­ра­то­ров толь­ко с 1899, ко­гда на элек­тро­стан­ции г. Эль­бер­фельд (Гер­ма­ния) впер­вые бы­ли при­ме­не­ны две П. т. Пар­сон­са мощ­но­стью по 1000 кВт ка­ж­дая.

В до­ре­во­люц. Рос­сии строи­лись как ста­цио­нар­ные, так и су­до­вые П. т. Осо­бен­но боль­шие ус­пе­хи бы­ли дос­тиг­ну­ты рос. кон­ст­рук­то­ра­ми и тех­но­ло­га­ми в 1910–14 в про­ек­ти­ро­ва­нии и из­го­тов­ле­нии П. т. для круп­ных во­ен. ко­раб­лей. Впер­вые отеч. ста­цио­нар­ные П. т. по­строи­ли на ме­тал­лич. за­во­де в С.-Пе­тер­бур­ге (позд­нее Ле­нингр. ме­тал­лич. за­вод, ЛМЗ), на ко­то­ром в 1907 из­го­тови­ли П. т. для при­во­да элек­тро­ге­не­ра­то­ра мощ­но­стью 200 кВт. В 1937 на ЛМЗ вы­пу­ще­на пер­вая кон­ден­са­ци­он­ная двух­ци­лин­д­ро­вая од­но­валь­ная тур­би­на мощ­но­стью 100 МВт; в 1977 по­строе­на и сда­на в экс­плуа­та­цию са­мая круп­ная отеч. кон­ден­са­ци­он­ная тур­би­на мощ­но­стью 1200 МВт. На­чи­ная с 1964 в СССР ос­во­ен вы­пуск П. т. для АЭС.

Турбины. Паровые турбины

Одним из важнейших этапов в проектировании объектов промышленности является детальный расчет оборудования. Данный процесс отличается высокой трудоемкостью и требует проведения значительного количества вычислений. Также для проведения правильного расчета необходимо использовать справочные данные и данные, которые были получены опытным путем при проведении экспериментов. В ходе расчета выясняются и уточняются все параметры, необходимые для осуществления технологического процесса.

Задача расчета состоит в правильном определении оптимального варианта турбинного агрегата, который соответствует технологическим параметрам процесса и обладает наибольшей экономичностью. Расчет турбины ведется на основании заданных условий пара на входе и выходе из нее.

При расчете турбин наиболее важную позицию занимает тепловой расчет, в ходе которого определяются такие параметры как: общий теплоперепад, расход пара, КПД, мощность установки и т. д. Тепловой расчет начинают с построения процесса расширения пара на I-S диаграмме (диаграмма состояния воды и водяного пара) для определения начальных и конечных параметров процесса. С помощью полученных графическим методом данных производят вычисление эффективности, экономичности и конструктивных показателей турбины.

Для понимания принципов расчета паровых турбин ниже будут приведены основные расчетные зависимости для наиболее простого варианта турбины – одноступенчатой активного действия. В турбине данного типа пар единожды будет подвержен адиабатическому расширению. Зная теплосодержание (энтальпию) пара на входе в турбину и теплосодержание пара после прохождения сопел, найдем общий теплоперепад:

Hоб = i0 — iр

где:

Hоб – общий теплоперепад, кДж/кг

i0 – энтальпия пара на входе в турбину, кДж/кг

iр – энтальпия пара посте адиабатического расширения в соплах, кДж/кг

Далее, если известен расход этого пара, то становится возможным нахождение мощности турбины. Однако важно отметить, что это полная мощность, в которой не учитываются потери:

Nт = (G·Hоб)/3600

где:

Nт – общая мощность турбины, кВт

Hоб – общий теплоперепад, кДж/кг

G – расход пара, кг/час

Поскольку процесс совершения работы на лопатках совершается не в полном объеме, как и не происходит полной передачи энергии к вращающемуся валу, то эффективная мощность турбины оказывается меньше её полного значения:

Nэф = (G·Hоб)/3600·ηот

где:

Nэф – эффективная мощность турбины, кВт

Hоб – общий теплоперепад, кДж/кг

G – расход пара, кг/час

ηот – относительный эффективный КПД турбины

Если паровая турбина используется для выработки электрической энергии, то вводится характеристика – электрическая мощность, отражающая количество работы, идущей непосредственно на выработку электроэнергии. Она связана с эффективной мощностью через следующее уравнение:

Nэл = Nэф·ηэг·ηр

Где:

Nэл – электрическая мощность на клеммах генератора, кВт

Nэф – эффективная мощность турбины, кВт

ηэг –КПД электрогенератора

ηр –КПД понижающего редуктора (ηрберется равным 1 если вал турбины напрямую соединен с валом генератора)

Если из уравнения для эффективной мощности турбины Nэф выразить переменную расхода пара G, то получится расчетная формула для рассмотренной величины. С помощью данной формулы можно оценивать необходимый расчет пара для обеспечения выработки предварительно заданной мощности.

G = (Nэф·3600)/(ηт·Hоб)

Если проделать операцию, аналогичную описанной выше, то получится уравнение, с помощью которого становится возможной оценка необходимого количества пара уже для создания предварительно заданной мощности на клеммах электрогенератора:

G = (Nэф·3600)/(Hоб·ηот·ηэг·ηр)

Важным параметром в турбине является угол наклона лопатки к плоскости вращения диска, несущего эти лопатки. Эта величина находится в зависимости от окружной скорости лопаток и скорости потока пара, падающего на лопатки, и выражается следующим уравнением:

u/c = cos(⁡α)/2

где:

u – окружная скорость лопаток, м/с

c – скорость потока пара, м/с

α – угол наклона лопаток а оси несущего их диска

Максимальное использование энергии пара было бы при угле α=0, но добиться такого значения практически невозможно, поэтому данный параметр обычно берут из промежутка от 12 до 220, что соответствует значениям скоростей u/c из промежутка от 0,465 до 0,49.

В одноступенчатой турбине скорость потока пара, падающего на лопатки, совпадает со скоростью истечения пара из входных сопел, которая может быть рассчитана по формуле:

Сис = 44,75·φ·√[(H0 + (с²вх)/2003)]

где:

Cис – скорость истечения пара из сопла, м/с

φ – скоростной коэффициент, учитывающий потери (берется из промежутка от 0,93 до 0,98 в зависимости от степени обработки сопел)

H0 – адиабатический теплоперепад на сопле, кДж/кг

Свх – скорость входа пара в сопло, м/с

Зная окружную скорость лопаток, можно определить число оборотов ротора турбины:

n = (60·u) / (π·d)

где:

n – скорость вращения ротора, об/мин

u – окружная скорость лопаток, м/с

d – средний диаметр венца лопаток, м

Для наглядности приведем решения несложных задач:

Задача 1

Одноступенчатая турбина активного действия соединена с электрогенератором через понижающий редуктор. В турбину продается пар с температурой t0=280°C под давлением P0=1,6 МПа. Противодавление турбины составляет Pпр=0,12 МПа. Электрогенератор развивает на клеммах мощность Nэ=90 кВт. Необходимо рассчитать требуемый расход пара. КПД турбины принять равным ηт=0,7, КПД редуктора — ηр=0,95, КПД генератора — ηг=0,94.

Решение:

Воспользуемся диаграммой состояния воды и водяного пара и определим энтальпию пара на входе в турбину. Энтальпия пара при t0=280°C0 и P0=1,6 МПа приблизительно равна:

i0 = 2990 кДж/кг

Поскольку пар подвергается адиабатическому расширению только в сопле, а на лопатках активной турбины изменения давления не происходит, то противодавление турбины можно принять равным давлению пара после прохождения сопел. Исходя из этого, вновь воспользуемся диаграммой состояния воды и водяного пара и определим его теплосодержание после адиабатического расширения:

i1 = 2420 кДж/кг

Далее мы можем найти общий теплоперепад на турбине:

H0 = i0 — i1 = 2990 — 2420 = 570 кДж/кг

Теперь можно воспользоваться формулой связи расхода пара и мощности на клеммах электрогенератора и найти искомую величину:

G = (Nэ·3600) / (H0·ηт·ηр·ηг) = (90·3600) / (570·0,7·0,95·0,94) = 909,33 кг/час

Также можно определить удельный расход пара на выработку одного кВт мощности:

Gу = G / Nэ = 909,33 / 90 = 10,1 кг/(кВт·час)

Задача 2

Основываясь на данных предыдущей задачи, определить скорость вращения вала турбины и необходимое передаточное отношение редуктора, связывающего турбину и двухполюсной электрогенератор. Средний диаметр венца лопаток составляет d=0,7 м. Угол наклона сопла α=200. Скоростной коэффициент принять равным φ=0,96.

Решение:

Определим оптимальное соотношение окружной скорости лопаток и скорости потока пара по формуле:

u/c = cos(⁡α)/2 = cos(⁡20)/2 = 0,47

Перед тем как найти окружную скорость лопаток, необходимо рассчитать действительную скорость пара на выходе из сопел. Для этого воспользуемся формулой (входной скоростью пара на сопла пренебрегаем и полагаем ее равной 0), взяв из прошлой задачи значение H0=570 кДж/кг:

с = 44,75·φ·√(H0) = 44,75·0,96·√570 = 1025,66 м/сек

Теперь, используя полученное значение скорости потока пара, определим окружную скорость лопаток турбины:

u = [(cos⁡(α))/2]*c = 0,47*1025,66 = 482,06 м/сек

Далее становится возможным определение числа оборотов вала турбины:

n = (60*u)/(π*d) = (60*482,06)/(3,14*0,7) = 13159 об/мин

В нашем случае электрогенератор двухполюсной, поэтому его число оборотов ротора должно равняться 3000 в минуту. Исходя из этого, найдем необходимое передаточное число редуктора:

i = 3000/13159 ≈ 1/4,4

Далее рассмотрим тепловой расчет простого турбинного агрегата (вычисление основных параметров) путем решения несложных задач.

Задача 1.

На турбину подается пар с давлением P0 = 4 МПа и температурой T0 = 380 °C. После прохождения турбины пар расширяется и его давление снижается до P1 = 0,7 МПа. Необходимо определить общий теплоперепад турбины Hоб.

Решение:

Для решения данной задачи воспользуемся диаграммой состояния воды и водяного пара (I-S диаграммой). Отметив на диаграмме точки с начальными и конечными значениями пара, мы определим энтальпии пара i0 и i1 , которые соответствуют следующим показателям:

i0 = 3185 кДж/кг

i1 = 2835 кДж/кг

Зная значения энтальпии, определим общий теплоперепад в турбине следующим образом:

Hоб = i0-i1 = 3185-2835 = 350 кДж/кг

Задача 2.

Необходимо установить мощность Nэ одноступенчатой конденсационной турбины, рассчитанной на следующие параметры свежего пара: расход G = 1675 кг/час, давление P0 = 1,5 МПа, температура T0 = 210 °C, давление в конденсаторе Pk = 0,3 МПа. КПД  турбины ŋоt = 0,8.

Решение:

Первоначально построим процесс расширения пара на диаграмме I-S и определим общий теплоперепад на турбине.

Hоб = i0-ik = 2823-2196 = 627 кДж/кг

Затем найдем мощность турбины, преобразовав формулу для нахождения расхода пара:

Nэ = (G·Hоб)/(3600·ŋоt) = (1675·627)/(3600·0,8) = 365 кВт.

Задача 3.

Необходимо определить относительный эффективный КПД (ŋоt) и расход пара турбины, зная следующие параметры ее работы: давление и температура на входе P0 = 8 МПа, T0 = 450 °C; конечное давление пара Pk = 1,6 МПа. Мощность турбины принять Nэ = 2200 кВт. Механический КПД турбины принять равным ŋм = 0,98, а относительный внутренний КПД ŋвн = 0,8.

Решение:

Обратившись к диаграмме состояния воды и водяного пара, мы сможем построить процесс расширения пара в турбине и определить параметры на входе и выходе из нее. Значения энтальпии пара на входе и выходе равны соответственно:

i0 = 3275 кДж/кг

ik = 2859 кДж/кг

Искомую величину КПД можно определить согласно следующему соотношению:

ŋоt = ŋт·ŋвн·ŋм = 0,86·0,8·0,98 = 0,67

Где:

ŋт – теоретический КПД, определяемый следующим образом:

ŋт = (i0-ik)/(i0-i’k) = (3275-2859)/(3275-2791,7) = 0,86·100 = 86 %

где:

i’k – энтальпия пара при давлении Pk =1,6 МПа (определяется по таблице), кДж/кг.

Для расчета расхода пара необходимо найти общий теплоперепад на турбине:

Hоб = i0-i1 = 3275-2859 = 416 кДж/кг

Теперь найдем расход пара на турбине, используя формулу:

G = Nэ/(Hоб·ŋоt) = 2200/(416·0,67) = 7,9 кг/с

Задача 4.

Для получения одновременно тепловой и электрической энергии на теплоэлектростанции эксплуатируются два типа паровых турбин: с противодавлением и конденсационная, общей производимой  электрической мощностью Nэ = 7500 кВт. На турбины подается пар с давлением P0 = 4,5 МПа и температурой Т0 = 400 °C. Расход пара на турбину с противодавлением составляет Gп = 8,3 кг/с, а давление на выходе из турбины Pп = 0,16 МПа. На выходе из конденсационной турбины значение давления пара имеет следующее значение Pk = 0,07 МПа. Необходимо определить мощность каждой турбины и расход пара на конденсационной турбине. Относительный эффективный КПД турбины принять ŋоt = 0,75.

Решение:

По диаграмме состояния воды и водяного пара найдем общий теплоперепад на каждой из турбин, аналогично приведенным выше задачам.

Hобп = i0-iп = 3210-2512 = 698 кДж/кг

Hоб к = i0-iк = 3210-2388 = 822 кДж/кг

Определим электрическую мощность турбины с противодавлением, выразив ее из формулы расхода пара:

Nэп = Gп·Hоб·ŋоt = 8,3·698·0,75 = 4345 кВт.

Теперь вычислим мощность конденсационной паровой турбины вычтя из общей электрической мощности электрическую мощность турбины с противодавлением:

Nэк = Nэоб-Nэп = 7500-4345= 3155 кВт

Также определим расход пара на конденсационной турбине:

Gк = Nэк/(Hобк·ŋоt) = 3155/(822·0,75) = 5,12 кг/с.

Задача 5.

Известно, что отдельная ступень турбины имеет относительный КПД ηoi = 0.85, а теплоперепад на ней составляет H0ст =100 кДж/кг. Нужно определить необходимое количество таких ступеней для турбины, работающей в области перегретого пара, общий теплоперепад которой составляет H0=1000 кДж/кг. Принять, что все ступени идентичны и обладают идентичными параметрами.

Решение:

Проведем ориентировочный расчет коэффициента возврата теплоты qt. Учитывая, что число ступеней нас не известно, предварительно примем их число z равное 10:

qt = kt · (1-ηoi) · H0 · [(z-1)/z]

Где kt –расчетный коэффициент, для турбины, работающей на перегретом пару, равный 5,8·10-4. После преобразований получим:

qt = 5,8 · 10-4 · (1-0,85) · 1000 · [(10-1)/10] = 0,0783

Теперь, зная предварительное значение коэффициента возврата теплоты, можно определить уточненное значение числа ступеней по формуле:

z = [H0 · (1+qt)] / H0ср = [1000·(1+0,0783)] / 100 = 10,783

Полученное значение z округляем в большую сторону и получаем искомую величину z равную 11.

Задача 6.

Диафрагма промежуточной ступени турбины оснащена лабиринтным уплотнением со следующими характеристиками: диаметр уплотнения dу=0,2 м, зазор уплотнения составляет δу=0,4 мм, а количество гребней Z=7. Пар перед ступенью имеет температуру Т1=400°C и давление P1=1,6 МПа, которое после ступени падает до P2=1,4 МПа. Необходимо рассчитать величину потерь G через уплотнение, при этом коэффициент расхода μу принять равным 0,91.

Решение:

Достаточно больше число гребешков z=7 позволяет использовать упрощенную формулу расчета величины потерь:

G = μy · Fy · √(1-ϵy²)/z · √p1/v1

Где:

Fу – площадь зазора уплотнения, м2

εу – отношение давлений по разные стороны от уплотнения p2/p1 = 1,4/1,6 = 0,875;

v1 – удельный объем, м3/кг.

Площадь зазора уплотнения можно определить исходя из имеющихся геометрических параметров уплотнения, указанных в условии задачи, по формуле:

Fy = π · dy · δy = 3,14·0,2·0,4· 10-3 = 0,2512·10-3 [м²]

Величину удельного объема можно определить по i-s диаграмме, и для P1=1,6 МПа и T1=400°C удельный объем составит v1=0,19 м3/кг.

Рассчитаем искомую величину потерь:

G = 0,91 · 0,2512· 10-3 · √(1-0,875²)/7 · √(1,6·106)/0,19 = 0,121 кг/с

Задача 7.

Дана турбина, номинальному режиму работы которой соответствуют следующие параметры: температура на входе Tн0=800 °C, давление на входе Pн0=1 МПа, расход пара G0=200 кг/сек, а давление пара на выходе Pк0=0,1 МПа. Вследствие реорганизации производства были изменены рабочие параметры турбины, так расход увеличился до G1=210 кг/сек., а температура упала до Тн1=750°C. Какое давление пара на входе Pн1 необходимо обеспечить при изменившихся условиях, чтобы обеспечить неизменное давление пара выходе, то есть Pк1=Pк0.

Решение:

Искомую величину можно определить, воспользовавшись следующим соотношением:

G1/G0 = √(Pн1²-Pк1²)/(Pн0²-Pк0²) · √Tн0/Tн1

Выразим из данного выражения давление на входе  Pн1 и рассчитаем его:

Pн1 = √(G1/G0)² · (Pн0²-Pк0²) · Tн1/Tн0 + Pк1² = √(210/200)²·(1²-0,1²) · (750+273)/(800+273) + 0,1² = 1,025 МПа

ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ

Паровые турбины работают следующим образом: пар, образующийся в паровом котле, поступает на лопатки турбины. Турбина совершает обороты и вырабатывает механическую энергию, используемую генератором. Генератор производит электричество.

Электрическая мощность паровых турбин зависит от перепада давления пара на входе и выходе установки. Общая эффективность паровых турбин (электроэнергия + тепло) доходит до ~85% в расчете на единицу потраченного топлива.

Фирма “Gandras Energoefektas” оказывает услуги по подбору и поставке паротурбогенераторов (далее ПТГ) с противодавлением (давление пара на выходе турбины до 0,7 бар абс.), а также конденсационных (давление пара на выходе турбины ниже 0,7 бар абс.).

ПТГ могут быть включены в тепловую схему котельных, пар которых используется для теплофикационных и технологических целей. Тем самым удается получить с минимальными капитальными затратами независимый от энергосистемы источник промышленной и бытовой электроэнергии, превратив котельную в мини – ТЭС.

При этом ПТГ должен работать параллельно с энергосистемой или другими источниками электрического тока, а в случае аварии в энергосистеме, ПТГ должен автоматически переходить в автономный режим, а после устранения аварии в системе, автоматически восстанавливать режим параллельной работы. Пар, отработавший в турбине, поступает на теплофикационные или технологические нужды.

Основные преимущества предлагаемых нами паровых турбин (производители: Германия, Италия, Россия, Украина):

  • Широкий выбор различных типов турбин: конденсационные, с противодавлением, с производственным отбором для пара низких, средних и высоких параметров.
  • Конструкция предлагаемых нами ПТГ позволяет использовать энергию пара низких параметров — давление 13 бар абс, температура насыщения, срабатываемую, как правило, в редукционных устройствах котельных. Такой пар, как правило, производится в котельных установках, работающих на биотопливе.
  • ПТГ электрической мощностью до 5 МВт представляет собой автоматизированный агрегат, все основные элементы и вспомогательные системы которого смонтированы на единой раме (свыше 5 МВт также все монтируется на единой раме, кроме генератора). ПТГ включает в себя паровую турбину, редуктор, электрогенератор, систему регулирования и автоматики, масляную систему, силовую раму. Сравнительно малые габариты позволяют устанавливать ПТГ на небольших площадках и низком фундаменте, при этом могут быть использованы свободные площади в котельной или других производственных зданиях.
    Основным преимуществом является сопловое регулирование расхода пара – возможность работы турбины в  зимнем режиме, когда турбина работает на 100 % мощности, и в летнем режиме, когда тепловая нагрузка уменьшается до 10 %.
  • Все типы турбин, в том числе и конденсатные, могут поставляться с выхлопом направленным вверх или вниз (по желанию Заказчика). Выхлоп направленный вверх, позволяет существенно сократить объем строительных и проектных работ,  по сравнению  с турбиной, у которой выхлоп направлен вниз или по оси – экономия составляет до 800 %; при этом нет необходимости высоко задирать подкрановые пути – будет экономия на строительстве каркаса машинного зала и подкрановых путей до 200 %.
  • Поставляемые нами турбины предназначена для эксплуатации в тяжелых условиях работы (heavy-duty design) – выдаваемая турбиной характеристика остается стабильной (не падает  КПД). На стадии подписания договора, по желанию Заказчика, может быть оговорено не ограниченное количество  пусков и остановок турбины (при этом время работы до капремонта и общий ресурс работы не будут сокращены). Турбины имеют сертификат NATO AQAP-110 (высший стандарт качества в проектировании и производстве машинного оборудования для использования в вооруженных силах НАТО), или технические условия, согласованные с военно-морским флотом Российской Федерации, что говорит о надежности, высочайшем качестве и простоте обслуживания.
  • Общая маслосистема для подачи масла на регулирование и смазку, расположение маслобака в раме турбины и сокращение длины маслопроводов до минимально возможной величины позволяют уменьшить объем масла, используемого на объекте. Это облегчит процесс согласования с пожарными инстанциями во время проектирования, строительства и эксплуатации, а также снизит во много раз риск протечек масла и его возгорания. Также данная конструкция ликвидирует необходимость строительства / монтажа маслопроводов, которые должны быть либо из нержавеющей стали (дорогостоящие), либо фосфатироваными (грязное, вредное производство требующее дополнительных затрат на проведение данных работ).
  • Ресурс паротурбогенераторов до капитального ремонта составляет до 120000 часов. Полный ресурс — до 40 лет.

Основные параметры паровых турбин

  • Номинальная мощность — 0,4 — 35 МВт
  • Давление свежего пара — 8 — 120 бар а
  • Диапазон измерения производственного отбора — по запросу
  • Заказчика Давление пара за турбиной — 0,13 — 25 бар а

Фирма “Gandras Energoefektas” предлагает полный комплекс услуг по установке оборудования на объекте у Заказчика: рекомендации по проектированию, монтаж, сборка, пуско-наладочные работы, испытательная эксплуатация, обучение персонала.

Конденсационные турбины

Турбины с противодавлением

Паровые турбины и системы энергоэффективного использования пара

При использовании энергии пара на технологическом оборудовании, перед тем, как попасть к потребителю, пар проходит ряд трансформаций, каждая из которых, приводит к потере энергии, а значит, и денег.

Использование энергии пара на 100% с компанией «Первый инженер»

Наши решения позволяют вырабатывать дополнительную электрическую и механическую энергию для нужд Вашего предприятия.

Как работает генератор для преобразования тепловой энергии в электрическую?

В основе системы энергоэффективного использования пара — паровая турбина малой мощности.

В состав системы могут входить:

  • редукционные, редукционно-охладительные установки;
  • электрогенерирующее оборудование (блочные турбинные установки) различной мощности;
  • турбоприводы для различного динамического оборудования;
  • теплообменное и насосное оборудование.

Электрогенерирующее оборудование — скачать презентацию

Конфигурация системы определяется индивидуально для каждого проекта таким образом, чтобы обеспечить максимальное использование энергии пара, исходя из Ваших задач и параметров.

Технологическое решение ЭРП — использование энергии пара

Используемый в системах энергоэффективного редуцирования пара генератор для преобразования тепловой энергии в электрическую имеет диапазон мощностей от 100 кВт до 20 МВт.

Параметрические характеристики теплоносителя – пара:

  • давление от 13 МПа до 0,7 МПа;
  • температура от 560 °C до 170 °C .

Система энергоэффективного редуцирования пара от «Первого инженера» — это всегда индивидуальный проект с учетом технических требований и задач Вашего предприятия.

Спектр наших решений

  • разработка технико-экономических моделей для различных вариантов системы;
  • применение мини турбин в качестве паровых турбогенераторов и приводов динамического оборудования;
  • гибкое сочетание и комбинирование устройств для преобразования и накапливания тепловой и электрической энергии;
  • выполнение всех этапов реализации системы от разработки и обоснования концепции внедрения паровой турбины малой мощности до пуска в эксплуатацию;
  • обеспечение эксплуатации системы с минимальным вовлечением обслуживающего персонала и с максимальным уровнем автоматизации.

Паровая турбина малой мощности

Схема подключения мини турбины

Ваш результат

  • максимальное использование энергии пара;
  • дополнительный источник электроэнергии для нужд Вашего предприятия, если будет использоваться паровой турбогенератор;
  • конденсационная паровая турбина малой мощности обеспечит равномерную загрузку котельной;
  • срок окупаемости от 2 лет.

Преимущества систем энергоэффективного редуцирования пара от «Первого инженера»:

  • разработка по индивидуальному проекту. Все элементы системы, включая паровые мини турбины, разрабатываются и производятся под конкретные параметры Заказчика.

Ваша выгода — идеальное соответствие Вашим задачам и техническим требования = максимальная эффективность системы и использование энергии пара на 100%.

  • реализация в формате ЕРС. Разрабатываем решение и внедряем его «под ключ».

Ваша выгода: экономия времени, гарантия результата, сервисная поддержка и сопровождение со стороны наших специалистов.

Паровой турбогенератор

Программа внедрения систем энергоэффективного редуцирования пара с применением мини турбин от компании «Первый инженер» включает:

  • обследование объекта;
  • разработка баланса энергопотребления предприятия и основных технических решений;
  • технико-экономическое обоснование предлагаемых решений;
  • комплексное проектирование;
  • поставка, монтаж и пуско-наладка оборудования;
  • обучение эксплуатационного персонала.

Наши гарантии

  • все технические решения «Первый инженер» разрабатывает, строго следуя рекомендациям СП 89.13330.2016 к проектированию электроэнергетических надстроек для котельных мощностью более 100 МВт;
  • генератор для преобразования тепловой энергии в электрическую в составе парового энергоблока на производственной площадке проходит тестовую проверку эксплуатации в рабочем режиме;
  • сервисное обслуживание;
  • на весь период эксплуатации оборудования мы предлагаем оперативную техническую поддержку по вопросам обслуживания.

Паровая турбина — Конверсии — Студенческая энергия

Паровая турбина — это механическое устройство, которое извлекает тепловую энергию из сжатого пара и преобразует ее в механическую работу. Поскольку турбина генерирует вращательное движение, она особенно подходит для привода электрических генераторов — около 90% всего производства электроэнергии в Соединенных Штатах (1996 г.) приходится на паровые турбины 1 . Сэр Чарльз А. Парсонс изобрел первую современную турбину, реактивную турбину, в 1884 году.Подключенная к динамо-машине, турбина вырабатывала 7,5 кВт электроэнергии. За время жизни Парсонса эта генерирующая мощность увеличилась в 10 000 раз. Паровые турбины варьируются от блоков <0,75 кВт до блоков 1,5 ГВт. Большие турбины используются для выработки электроэнергии.

Как следует из названия, паровая турбина приводится в действие паром. Когда горячий газообразный пар проходит мимо вращающихся лопастей турбины, пар расширяется и охлаждается, выделяя большую часть содержащейся в нем энергии. Этот пар непрерывно вращает лопасти.Таким образом, лопасти преобразуют большую часть потенциальной энергии пара в кинетическую энергию. Затем турбина используется для запуска генератора, вырабатывающего электричество.

Основными частями потоковых турбин являются лопатки и роторы. Набор лопастей известен как сцена. У них также есть входы для пара (обычно набор форсунок) и выходы для пара. Два независимых механизма, известные как регуляторы, используются для обеспечения безопасной работы турбины.

Два основных типа паровых турбин:

  • Импульсная турбина: Вращающиеся лопасти похожи на глубокие лопатки.Высокоскоростные струи пара, поступающего из сопел тщательно продуманной формы, попадают в лопасти, толкают их серией импульсов и отскакивают в другую сторону с таким же давлением, но со значительно меньшей скоростью. 3 .
  • Реакционная турбина: В реакционной турбине есть второй набор неподвижных лопастей, прикрепленных к внутренней части корпуса турбины. Они помогают ускорить и направить пар на вращающиеся лопасти под прямым углом, прежде чем пар рассеется с пониженной температурой и давлением. 2

Как работает паровая турбина?

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

Первая паровая турбина

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

Как так много энергии забирают из пара?

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

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

Как работает паровая турбина?

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

Как работают лопатки турбины?

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

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

Важность гибких средств управления для вращающихся турбинных машин

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

Как системы управления Petrotech могут повысить эффективность паротурбинного генератора

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

Паровая турбина

— Как работает энергия пара

Паровой турбогенератор работает, нагревая воду до чрезвычайно высоких температур до тех пор, пока она не превращается в пар, а затем энергия пара используется для вращения лопастей турбины для создания механической или вращательной энергии.

Эта энергия вращения, создаваемая паровой турбиной высокого давления, используется для выработки электроэнергии от подключенного генератора.

Это видео полностью объясняет схему ниже или прочтите пошаговое руководство о том, как работает паровая турбина:

На диаграмме ниже мы видим упрощенный пример того, как работает паровая турбина.Вот простое пошаговое руководство:

(1) Какой-то источник тепла — возможно, сжигаемое ископаемое топливо или солнечное тепло — используется для создания тепловой энергии.

(2) Котел, содержащий воду, использует тепловую энергию для преобразования воды в пар высокого давления.

Двигаясь дальше, на диаграмме выше вы можете увидеть следующий этап процесса паровой турбины:

(3) Если в системе используется горючее ископаемое топливо в качестве источника тепла, то для выпуска загрязняющих веществ необходима выхлопная труба.Если система использует солнечную энергию для преобразования тепла, тогда выхлопная труба не нужна, потому что солнечная энергетическая система не выделяет никаких загрязняющих веществ.

(4) Пар из воды в котле перекачивается в паровую турбину. Энергия пара вращает лопатки турбины.

(5) Генератор прикреплен к паровой турбине вращающимся валом. Когда паровая турбина вращается, генератор вращается и вырабатывает электричество.

(6) Пар, который использует свою энергию для вращения турбины, проходит и охлаждается с помощью градирни.В качестве альтернативы пар можно охладить естественным путем, например, с помощью озера или реки,

(7) Градирня выбрасывает в атмосферу уже использованный, более низкоэнергетический и охлажденный пар. Оставшаяся вода, которая снова охлаждается до жидкого состояния, перекачивается обратно в котел и повторяет процесс снова, создавая больше энергии из пара.

Как работает паровая турбина?

Как работает паровая турбина?

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

Во всех турбинах скорость вращения лопасти пропорциональна скорости пара, проходящего через лопатку. Если пар расширяется только за одну стадию от давления котла до давления выхлопных газов, его скорость должна быть чрезвычайно высокой. Но типичная главная турбина на атомных электростанциях, в которой пар расширяется от давления около 6 МПа до давления около 0.008 МПа, работает со скоростью около 3000 об / мин для систем 50 Гц для 2-полюсного генератора (или 1500 об / мин для 4-полюсного генератора) и 1800 об / мин для систем 60 Гц для 4-полюсного генератора (или 3600 об / мин для 2-полюсного генератора. ). Кольцо с одним лезвием потребует очень больших лезвий и примерно 30 000 об / мин, что слишком много для практических целей.

Таким образом, на большинстве атомных электростанций используется одновальный турбогенератор, состоящий из одной многоступенчатой ​​турбины высокого давления и трех параллельных многоступенчатых турбин низкого давления, основного генератора и возбудителя.Турбина ВД обычно представляет собой двухпоточную реактивную турбину с примерно 10 ступенями с закрытыми лопатками и вырабатывает около 30-40% полной выходной мощности энергоблока. Турбины низкого давления обычно представляют собой двухпоточные реактивные турбины с примерно 5-8 ступенями (с закрытыми лопатками и с отдельно стоящими лопатками последних 3 ступеней). Турбины низкого давления вырабатывают примерно 60-70% полной выходной мощности энергоблока. Каждый ротор турбины установлен на двух подшипниках, т.е. между каждым турбинным модулем установлены двойные подшипники.

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

Схема паровой турбины типового PWR мощностью 3000 МВт.

Расход и работа паровой турбины

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

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

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

Конструкции и типы паровых турбин

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

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

Конденсационный

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

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

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

Противодавление

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

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

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

Добыча

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

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

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

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

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

Расход пара, работа и конструкция

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Поток, износ и разложение

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

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

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

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

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

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

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

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

Как работает паровая турбина? (Схема)

Добро пожаловать в блог Linquip.Сегодня мы рассмотрим принцип работы паровых турбин. Большая часть электроэнергии, используемой на всей территории Соединенных Штатов, производится с помощью паротурбинных двигателей. По данным Министерства энергетики США, более 88 процентов энергии, производимой в США, вырабатывается паровыми турбогенераторами на различных электростанциях. Чтобы ответить на вопрос «Как работает паровая турбина?» мы очень быстро перейдем к делу. Далее вы познакомитесь с паровой турбиной и принципами ее работы.

Что такое паровая турбина?

Как следует из названия, паровая турбина приводится в действие энергией горячего газообразного пара и работает как нечто среднее между ветровой турбиной и водяной турбиной. Он напоминает ветряную турбину, потому что у него есть вращающиеся лопасти, которые вращаются, когда пар проходит мимо них; и это похоже на водяную турбину, потому что лопасти плотно прилегают к герметичному внешнему контейнеру, поэтому пар сдерживается и проходит мимо них со скоростью. Паровые турбины используют пар высокого давления для вращения генераторов электроэнергии на невероятно высоких скоростях, поэтому они вращаются намного быстрее, чем ветровые или водяные турбины.

Паровая турбина на самом деле является разновидностью теплового двигателя, термодинамический КПД которого во многом улучшается за счет использования нескольких ступеней расширения пара, что приводит к более близкому подходу к идеальному процессу обратимого расширения.

Подробнее о деталях паровой турбины Linquip

: всестороннее и понятное введение во все компоненты

Принцип работы паровых турбин

На данный момент мы знаем, что паровая турбина действительно работает с давлением пара.Чтобы точно знать, через какой процесс проходит паровая турбина, лучше сначала взглянуть на структуру пара как на наиболее важную часть паровой турбины.

Как пар дает энергию в паровых машинах?

Если вы когда-нибудь видели старомодный паровоз, вы должны иметь некоторое представление о том, насколько мощным может быть пар. Паровоз построен на основе парового двигателя, сложной машины, основанной на простой идее: вы можете сжигать топливо, такое как уголь, чтобы высвободить энергию, хранящуюся внутри него.В паровом двигателе уголь горит в печи и выделяет тепло, которое кипятит воду, как чайник, и генерирует пар высокого давления. Пар поступает по трубе в цилиндр с плотно прилегающим поршнем, который движется наружу по мере поступления пара.

Когда пар расширяется и заполняет цилиндр, он охлаждается, теряет давление и отдает свою энергию поршню. Поршень толкает колеса локомотива, прежде чем вернуться обратно в цилиндр, так что весь процесс может быть повторен.Пар не является источником энергии: это жидкость, переносящая энергию, которая помогает преобразовывать энергию, заключенную внутри угля, в механическую энергию, которая приводит в движение поезд.

Как работает паровая турбина?

В предыдущем разделе мы привели вам пример паровоза, показав роль пара в паровой машине. Но есть различия между характеристиками паровозов и сегодняшних паровых турбин, определяющие принцип работы паровой турбины.

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

Как работают лопатки турбины?

Возможно, вторые по значимости после пара — лопатки турбины.По этой причине лучше ознакомиться с их работой, которые выполняют большую часть работы паровых турбин.

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

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

Заключение

Данная статья была попыткой предоставить всю важную информацию по вопросу «Как работает паровая турбина?». Паровые турбины — самые важные машины в области преобразования энергии. Их совокупная механическая и электрическая установленная мощность намного превосходит мощность любого другого типа агрегата. Их конструкция и эксплуатационные процедуры очень продвинуты, и их можно рассматривать как зрелые технологические компоненты.сначала мы привели базовое определение паровой турбины, а затем сразу перешли к разделу, обсуждающему принцип работы паровых турбин.

Если у вас есть опыт или вы сталкивались с паровыми турбинами и знаете о них больше, мы будем очень рады услышать ваше мнение в комментариях на нашем сайте Linquip. Более того, если у вас есть какие-либо вопросы по этой теме, вы можете зарегистрироваться на нашем сайте и ждать, пока наши специалисты ответят на ваши вопросы. Надеюсь, вам понравилась эта статья.

Генератор

(пар) — оборудование энергетической зоны

1.0 Назначение

Power Zone Equipment, Inc. Политика конфиденциальности данных

Политика, изложенная ниже, описывает личные данные, которые может собирать Power Zone Equipment, то, как Power Zone Equipment использует и защищает эти данные, и кому мы можем их передавать. Эта политика предназначена для уведомления отдельных лиц о личных данных в целях соблюдения законов и нормативных актов о конфиденциальности данных юрисдикций, в которых работает Power Zone Equipment.

Power Zone Equipment призывает наших сотрудников, независимых подрядчиков, клиентов, поставщиков, коммерческих посетителей, деловых партнеров и другие заинтересованные стороны ознакомиться с этой политикой. Используя наш веб-сайт или отправляя личные данные в Power Zone Equipment любыми другими способами, вы подтверждаете, что понимаете и соглашаетесь соблюдать эту политику, а также соглашаетесь с тем, что Power Zone Equipment может собирать, обрабатывать, передавать, использовать и раскрывать ваши личные данные как описано в этой политике.

2.0 Персональные данные

Power Zone Equipment обязуется соблюдать все разумные меры предосторожности для обеспечения конфиденциальности и безопасности личных данных, собранных Power Zone Equipment. Во время использования вами нашего веб-сайта или посредством других коммуникаций с Power Zone Equipment, персональные данные могут собираться и обрабатываться Power Zone Equipment. Как правило, Power Zone Equipment собирает личную контактную информацию (например, имя, компания, адрес, номер телефона и адрес электронной почты), которую вы сознательно предоставляете при регистрации, запросе котировок, ответах на вопросы или иным образом для использования в наших коммерческих отношениях.Иногда мы можем собирать дополнительные персональные данные, которые вы добровольно предоставляете, включая, помимо прочего, название должности, дополнительную контактную информацию, дату рождения, хобби, области интересов и профессиональную принадлежность.

3.0 Использование личных данных

Веб-сайт

Power Zone Equipment предназначен для использования клиентами Power Zone Equipment, коммерческими посетителями, деловыми партнерами и другими заинтересованными сторонами в деловых целях. Персональные данные, собранные Power Zone Equipment через свой веб-сайт или другими способами, используются для поддержки наших коммерческих отношений с вами, включая, помимо прочего, обработку заказов клиентов, заказов от поставщиков, управление учетными записями, изучение потребностей клиентов. , отвечая на запросы и предоставляя доступ к информации.Кроме того, в соответствии с законами и постановлениями соответствующей юрисдикции для поддержки наших отношений с вами:

  • мы можем передавать личные данные нашим аффилированным лицам, чтобы лучше понимать потребности вашего бизнеса и способы улучшения наших продуктов и услуг;
  • мы можем использовать сторонних поставщиков услуг, чтобы помочь нам в сборе, сборке или обработке личных данных в связи с услугами, связанными с нашими деловыми отношениями;
  • мы (или третье лицо от нашего имени) можем использовать персональные данные, чтобы связаться с вами по поводу предложения оборудования Power Zone в поддержку вашего бизнеса или для проведения онлайн-опросов, чтобы лучше понять потребности наших клиентов; и
  • мы можем использовать личные данные для маркетинговой и рекламной деятельности.

Если вы решите не использовать свои личные данные для поддержки наших отношений с клиентами (особенно для прямого маркетинга или исследования рынка), мы будем уважать ваш выбор. Мы не продаем ваши личные данные третьим лицам и не передаем их третьим лицам, за исключением случаев, указанных в настоящей политике. Power Zone Equipment будет хранить ваши персональные данные до тех пор, пока вы поддерживаете отношения с клиентами с Power Zone Equipment и / или если вы зарегистрировались для получения маркетинговых или иных сообщений от Power Zone Equipment, до тех пор, пока вы не потребуете, чтобы мы удалили такие персональные данные. .

4.0 Сторонние поставщики услуг

Power Zone Equipment является коммерческим оператором своего веб-сайта и использует поставщиков услуг для оказания помощи в размещении или иным образом выступая в качестве обработчиков данных, для предоставления программного обеспечения и контента для наших сайтов и для предоставления других услуг. Power Zone Equipment может раскрывать предоставленные вами личные данные этим третьим сторонам, которые предоставляют такие услуги по контракту для защиты ваших личных данных. Кроме того, в соответствии с законами и нормативными актами соответствующей юрисдикции Power Zone Equipment может раскрывать личные данные, если такое раскрытие:

  • — использование персональных данных для дополнительной цели, которая напрямую связана с первоначальной целью, для которой персональные данные были собраны;
  • необходим для подготовки, согласования и исполнения договора с вами;
  • требуется законом, компетентными государственными или судебными органами;
  • необходим для обоснования или сохранения судебного иска или защиты;
  • является частью корпоративной реструктуризации, продажи активов, слияния или продажи; или,
  • Код

  • необходим для предотвращения мошенничества или других незаконных действий, таких как умышленные атаки на системы информационных технологий Power Zone Equipment.

5.0 Международная передача данных

Для наших клиентов в Швейцарии и Европейском союзе (ЕС) обратите внимание, что компания Power Zone Equipment находится в США. Если вы используете наши веб-сайты или веб-порталы, либо вся информация, включая личную информацию, может быть передана в Power Zone Equipment (включая субподрядчиков, которые могут поддерживать и / или управлять нашим веб-сайтом) в США и других странах и может быть передана третьим лицам. вечеринки, которые могут быть расположены в любой точке мира.Хотя сюда могут входить получатели информации, находящиеся в странах, где уровень правовой защиты вашей личной информации может быть ниже, чем в стране вашего местонахождения, мы будем защищать вашу информацию в соответствии с требованиями, применимыми к вашей информации и / или местоположению. В частности, для передачи данных за пределы ЕС, Power Zone Equipment будет использовать соглашения о передаче данных, содержащие Стандартные договорные положения. Используя наши веб-сайты или веб-порталы, вы недвусмысленно соглашаетесь на передачу вашей личной информации и другой информации в США и другие страны для целей и использования, описанных в настоящем документе.

6.0 Автоматический сбор неличных данных

Когда вы заходите на веб-сайты или веб-порталы Power Zone Equipment, мы можем автоматически (т. Е. Не путем регистрации) собирать неличные данные (например, тип используемого интернет-браузера и операционной системы, доменное имя веб-сайта, с которого вы пришли, количество посещения, среднее время нахождения на сайте, просмотренные страницы). Мы можем использовать эти данные и делиться ими с нашими филиалами по всему миру и поставщиками соответствующих услуг для мониторинга привлекательности наших веб-сайтов и улучшения их производительности или содержания.В этом случае обработка выполняется анонимно и по усмотрению Power Zone Equipment.

7.0 Прочие онлайн-данные

Кроме того, для некоторых технических онлайн-приложений или других взаимодействий с оборудованием Power Zone может потребоваться ввод коммерческих и технических данных. Предоставляя запрошенную информацию, вы даете согласие на обработку и хранение такой информации компанией Power Zone Equipment. Если в Power Zone Equipment не указано, что вы хотите удалить эту информацию с сервера Power Zone Equipment, такая информация может быть сохранена Power Zone Equipment и использована для будущих коммерческих коммуникаций.Запрос на удаление этой информации может быть сделан по контактной информации, указанной ниже. Power Zone Equipment будет принимать все разумные меры предосторожности, чтобы гарантировать, что никакая такая информация не будет предоставлена ​​или разглашена другим третьим сторонам, за исключением, если применимо, тех третьих сторон, которые выполняют хостинг, обслуживание и связанные с этим услуги сайта.

8.0 «Файлы cookie» — информация, автоматически сохраняемая на вашем компьютере

Файлы cookie — это информация, которая автоматически сохраняется на компьютере пользователя веб-сайта.Когда пользователь просматривает веб-сайт (-ы) Power Zone Equipment, Power Zone Equipment может сохранять некоторые данные на компьютере пользователя в форме «cookie», чтобы автоматически распознавать пользователя при будущих посещениях веб-сайта (-ов) Power Zone Equipment. Power Zone Equipment приложит разумные усилия для обеспечения соблюдения законов и постановлений соответствующих юрисдикций в отношении файлов cookie.

9,0 Дети

Power Zone Equipment не будет сознательно собирать персональные данные от детей младше 18 лет.Веб-сайт (-ы) Power Zone Equipment не предназначен для лиц младше 18 лет

10.0 Безопасность и целостность данных

Power Zone Equipment будет принимать разумные меры предосторожности для защиты личных данных, находящихся в его распоряжении, от риска потери, неправильного использования, несанкционированного доступа, раскрытия, изменения и уничтожения. Power Zone Equipment периодически пересматривает свои меры безопасности, чтобы обеспечить конфиденциальность личных данных.

Power Zone Equipment будет использовать личные данные только способами, совместимыми с целями, для которых они были собраны или впоследствии разрешены вами.Хотя Power Zone Equipment будет принимать разумные меры для обеспечения того, чтобы личные данные соответствовали его предполагаемому использованию, были точными, полными и актуальными, Power Zone Equipment также полагается на каждого человека, чтобы помочь в предоставлении точных обновлений его или ее личных данных.

11.0 Ссылки на другие веб-сайты

Веб-сайты

Power Zone Equipment могут содержать «ссылки» на веб-сайты, принадлежащие третьим сторонам и управляемые ими. Получив доступ к этим ссылкам, которые предоставлены для вашего удобства, вы покинете наш сайт и будете подчиняться политике конфиденциальности другого веб-сайта.Эта политика не распространяется на любую личную информацию, которую вы предоставляете посторонним третьим лицам.

12.0 Сохранение данных

В целом, Power Zone Equipment будет хранить персональные данные только до тех пор, пока это необходимо для конкретной цели обработки и в соответствии с политикой управления записями Power Zone Equipment, или в соответствии с другими требованиями законов и постановлений конкретной юрисдикции. Например, данные будут храниться в течение периода времени, в течение которого вы имеете право использовать веб-сайты с оборудованием Power Zone, включая любые инструменты для оборудования Power Zone, доступные через наши веб-сайты.После прекращения действия такой авторизации ваши личные данные, связанные с использованием веб-сайтов Power Zone Equipment, будут удалены.

13.0 Доступ к данным и исправление

По запросу Power Zone Equipment предоставит физическим лицам разумный доступ к личным данным, которые она хранит о них. Кроме того, Power Zone Equipment будет принимать разумные меры, чтобы позволить отдельным лицам исправлять, изменять или удалять информацию, которая является неточной или неполной. Power Zone Equipment также полагается на каждого человека, чтобы помочь в предоставлении точных обновлений его или ее личных данных.Чтобы получить доступ, исправить, изменить или удалить личные данные Power Zone Equipment о человеке, физическое лицо должно связаться со следующим:

ТЕЛЕФОН: + 1-719-754-1981 | ЭЛЕКТРОННАЯ ПОЧТА: [email protected]

14.0 Права ЕС на конфиденциальность данных

Если ваши персональные данные обрабатываются в ЕС или вы являетесь резидентом ЕС, Общий регламент ЕС по защите данных предоставляет вам определенные права в соответствии с законом. В частности, право на доступ, исправление или удаление ваших личных данных Power Zone Equipment.

В той степени, в которой это требуется действующим законодательством, Power Zone Equipment будет предоставлять физическим лицам разумный доступ к личным данным, которые Power Zone Equipment хранит о них, и будет принимать разумные меры, чтобы позволить таким лицам исправлять, изменять или удалять информацию, которая хранится в Power Zone Equipment. их. Power Zone Equipment также полагается на каждого человека, чтобы помочь в предоставлении точных обновлений его или ее личных данных. Чтобы получить доступ, исправить, изменить или удалить персональные данные, которые Power Zone Equipment хранит о физическом лице, физическое лицо должно связаться со своим коммерческим представителем Power Zone Equipment или связаться с нами по следующему адресу электронной почты: sales @ powerzone.com.

Если у вас есть комментарий, вопрос или жалоба относительно того, как Power Zone Equipment обрабатывает ваши личные данные, мы приглашаем вас связаться с нами, чтобы мы могли решить этот вопрос.