Парова турбіна: історія розвитку, принцип дії і ККД

Парова турбіна є одним з видів парової машини, в якій теплова енергія перетворюється в механічну. Конструкція її відрізняється від традиційної машини, оскільки в ній немає поршневого штока, маховика і золотникових клапанів.

Принцип дії парової турбіни заснований на русі робочого вала, яке відбувається за рахунок обертання лопатей. На вал насаджений електрогенератор, що перетворює механічну енергію вала в електричну.

Історія парової турбіни

Вважається, що вперше примітивну турбіну, що працює на пару, винайшов Грецький математик і механік Герон Олександрійський близько 120 р. до н. е. е., хоча це була турбіна дещо іншого типу — поршневого, який використовував принцип внутрішнього згоряння.

Картинку з будовою такого пристрою можна знайти в Інтернеті. Більш традиційні турбоагрегати були виготовлені шведом Карлом Густавом Патріком де Лавалем в 1883 р. і англійцем Чарльзом Парсонсом в 1884 р.

Англієць Парсонс оформив патент на багатоступінчастий реактивний турбоагрегат. Машина стала першою успішно використаною в промисловому виробництві. У 1889 р в світі вже налічувалося 300 турбін, які здатні були обертати генератори для вироблення електричної енергії. У 1899 р.була запущена перша електростанція з турбоагрегатами Парсонса.

У 1894 р.вперше був побудований пароплав «Turbinia», що має аналогічний турбінний привід. З часом турбіна Парсонса була замінена модифікацією з визначенням – активно-реактивні.

У Радянському Союзі перший турбоагрегат 2 МВт виробили в 1924 р в Ленінграді з вихідними характеристиками пара — 1.1 МПа /300 С.Через 2 роки в експлуатацію запущена турбіна 10 МВт 3000 об./ хв., а в 1930 р. — агрегат 24 МВт, в якому може використовуватися пар — 2.55 /375 З, через рік-50 МВт/1500 об./ мін.

Одночасно в країні вводяться нові потужності з випуску парових турбоагрегатів:

• У 1934 р., Харківський ХТГЗ, для виробництва турбоагрегатів до 100 МВт, з тиском перегрітого 2.85 МПа і температурою 400 С.
• У 1940 р.на Свердловському УТМЗ було освоєно виробництво теплофікаційних агрегатів до 250 МВт.

На Зуївській ГРЕС почали використовувати тихохідний агрегат ХТГЗ АК-100-29. За тридцять років потужність турбінних агрегатів зросла до 1200 МВт з параметрами перегрітої пари 23.5 МПа/540 С.

Одновальна турбіна Ленінградського металевого заводу до-1200−240, що має потужність 1200 МВт, стала найпотужнішою в світі. І навіть сьогодні в світі нездатні влаштувати ефективні схеми генерації, що працюють на більш високих параметрах.

Сьогодні в м. Єкатеринбурзі випускаються такі турбіни для комплектації електричних станцій, які можуть складатися з агрегатів малої і середньої потужності з високим ККД, під брендом «PARSONS». У 2011 р.Ленінградський металургійний завод реорганізувався в ПК ЛМЗ компанії «Силові машини».

За всю свою історію компанією випущено понад 2300 парових турбін, які працюють в:

• СНД і ЄС.
• Індій.
• Соціалістичній Республіці В’єтнам.
• Китайській Народній Республіці.
• країнах Африки, Латинської Америки та Карибського басейну.

Сьогодні ПК ЛМЗ випускає парові турбіни різних потужностей до 1200 МВт.

Принцип дії

Принцип функціонування турбіни з використанням пари порівняно простий, а її конструкція практично не трансформувалася вже більше ста років. Щоб усвідомити її принцип роботи, потрібно розглянути роботу теплової електростанції в цілому. ТЕС – це виробнича структура, де в тепловій схемі різноманітне рідке, тверде і газоподібне паливо перетворюється в електроенергію.

Сам собою турбоагрегат працювати не може, для цього йому потрібен перегрітий пар з високими технологічними параметрами. Він виробляється на потужних енергетичних парових котлах, які спалюють паливо для нагрівання води до парового стану.

Турбіна конструкційно виконана з вала або ротора з радіально розміщеними лопатками, схожими на ті, що розміщені у великого вентиляторного агрегату. За окремим диском знаходиться статор з лопатками іншої конфігурації, тільки закріплений нерухомо не на валу, а на корпусі, тому отримав свою назву.

Пару з диска і статора називають ступенем. В одному агрегаті – десятки таких ступенів, інакше турбінний вал конструкції з вагою понад 100 т неможливо розкрутити. З цієї причини ступені в послідовному порядку групують, щоб максимально відібрати потенційну енергію парового енергоносія.

В агрегат надходить парова речовина різних технологічних параметрів. Вони класифікуються за тиском перегрітої пари від низького – 1.20 МПа до надкритичного — понад 22.0 МПа.

Перегрітий пар при більш високому тиску відповідає більш високій температурі. Сучасні турбоагрегати працюють з температурою перегрітої пари до 560 C. При русі всередині турбіни пар розширюється, при цьому падає його температура. Для того, щоб пройти весь цикл повністю, повинен існувати запас по тиску.

Спочатку пара потрапляє в циліндр з високим тиском, розганяє турбіну з втратою температури і направляється в щабель середнього тиску, а потім — низького. У кожному ступені для того, щоб відібрати максимально енергію пара, лопатки виконуються різними за формою.

Охолодження перегрітої пари в ступенях турбоагрегату відбувається до стану насичення, при якому різко падає ефективність роботи агрегату.

Тому після циліндра високого тиску, перед тим як вступити в циліндр низького тиску, насичений пар направляється назад в котлоагрегат, де нагрівається до стану перегрітої пари при робочому тиску в котлі. Такий процес має назву – проміжний перегрів пара, або промперегрів.

Циліндр високого тиску в конструкції один, а ось низького і середнього — кілька. Подача пари на них здійснюється збоку циліндра, при цьому парове середовище омиває лопатки послідовно. Існують конструкції з подачею пара по центру, тоді пар просувається від центру до краю лопаток.

Цей варіант більш кращий, оскільки навантаження на вал зменшується. На вал турбоагрегату насаджений Електричний генератор, який при русі виробляє електричний струм частотою 50 Гц. Для цього швидкість обертання валу агрегату повинна частить з параметрами 1500/3000 об./ мін.

Для забезпечення більшого вироблення електроенергії генератора буде потрібно значна витрата пара. За зміною навантаження і управлінням необхідною витратою пари стежать спеціальні регулятори частоти, забезпечуючи тим самим безпечну роботу енергетичного обладнання.

В іншому випадку при падінні електронавантаження в мережі, якщо обсяг надходить пара не зменшиться, турбоагрегат набере критичну швидкість, відцентрові сили зруйнують не тільки корпус агрегату, лопатки турбіни, але здатні навіть рознести покрівлю ЕС і розлетітися на відстань десятків кілометрів по всій окрузі.

Застосування парових турбоагрегатів протягом більш як сто років продемонструвало величезні переваги, що дозволили використовувати їх в якості основних генеруючих пристроїв. Проте, як і все сучасне енергетичне обладнання, вони мають свої негативні риси, а основний недолік — низький ККД.

Ефективність роботи турбоагрегатів

З точки зору ефективності роботи парових турбоагрегатів існує закономірність, що при збільшенні зовнішніх розмірів ростуть Номінальна потужність і ККД. Тому економічно значно вигідніше розміщувати ряд турбін на одну потужну ЕС, що виробляє електрику з високими параметрами струму, яку транспортують по магістральних лініях електропередач на великі відстані, ніж споруджувати Малі електростанції з низькопродуктивними турбінами.

В цьому випадку частка на обладнання в собівартості одиниці вироблення електроенергії зростає в кілька разів, при цьому падає загальний ККД станції в два, а іноді і в три рази. Тим більше, що він і так є дуже низьким і далекий від енергетичної досконалості.

Максимальний електричний ККД конденсаційних турбін, що мають промперегрів, який може забезпечити сучасні умови генерації, не перевищує 40%, а ККД ТЕС — не більше 45%.

Порівняння ефективності роботи різноманітних джерел енергії:

• Турбіна з промперегрівом – 40%.
• Газова турбіна – 35%.
• Паровий двигун – 8%.
• Вітростанція – 40%.
• Сонячний колектор – 25%.
• Водневий паливний елемент – 60%.
• ТЕС – 45%.
• АЕС – 40%.
• ГЕС – 90%.

Але навіть якщо порівнювати ефективність роботи турбіни, що функціонує на пару високого тиску, з сучасними джерелами в умовах генерації електричної енергії, то сьогодні вона має рівний коефіцієнт корисної дії з АЕС і перевищує по ККД газову турбіну. Проте найефективнішим видом електрогенерації є ГЕС.

Цікаві факти

Згідно з повідомленням з Вікіпедії, найбільш потужні конденсаційні турбоагрегати в світі по 1900 МВт встановлені на атомних електричних станціях: Siemens sst5−9000 в Німеччині і ARABELLE в США.

Найменшу турбіну нещодавно випустили в Уральському університеті-ПТМ-30. Згідно з доповіддю і рефератом фізиків, міні-турбоагрегат з робочими параметрами 30 кВт і діаметром 50 см. Він може застосовуватися для невеликої вироблення електрики на утилізованому паровому енергоносії, вивільненому в процесі виробництв, тим самим скорочуючи теплові викиди в навколишнє середовище.

Найбільш невдалим використанням парової турбіни вважаються паротурбовози – паровозні електролокомотиви. У них пар з котлоагрегату спочатку прямував до турбіни, яка запускала електрогенератор, що виробляє електроенергію, яку використовували для руху локомотива, що працює на електричних двигунах.

Парова турбіна

Парова турбіна ( фр. turbine від лат. turbo вихор, обертання) – це тепловий двигун безперервної дії, в лопатковому апараті якого потенційна енергія стислої і нагрітої водяної пари перетворюється в кінетичну, яка в свою чергу здійснює механічну роботу на валу. Потік водяної пари поступає через направляючі апарати на криволінійні лопатки, закріплені по колу ротора, і, впливаючи на них, призводить ротор в обертання. Парова турбіна є одним з елементів паротурбінної установки (ПТУ). Окремі типи парових турбін також призначені для забезпечення споживачів тепловою енергією. Парова турбіна і електрогенератор складають турбоагрегат.

Основні конструкції парових турбін

Парова турбіна складається з двох основних частин. Ротор з лопатками – рухома частина турбіни. Статор з соплами – нерухома частина. У напрямку руху потоку пари розрізняють аксіальні парові турбіни, у яких потік пари рухається уздовж осі турбіни, і радіальні, напрям потоку пари в яких перпендикулярний, а робочі лопатки розташовані паралельно осі обертання. За кількістю контурів (циліндрів) турбіни підрозділяють на одноконтурні та двох-трьох-, чотирьох-рідко пятиконтурні. Багатоциліндрова турбіна дозволяє використовувати великі теплові перепади ентальпії, розмістивши велике число ступенів тиску, застосувати високоякісні матеріали в частинах високого тиску і роздвоєння потоку пари в частинах середнього і низького тиску. Така турбіна виходить дорожчою, важкою і складною. Тому багатокорпусні турбіни використовуються в потужних паротурбінних установках. За кількістю валів розрізняють одновальні, двохвальні, рідше трьохвальні, які пов’язані спільністю теплового процесу або загальною зубчастою передачею (редуктором). Нерухому частину – корпус (статор) – виконують роз’ємною в горизонтальній площині для можливості виїмки чи монтажу ротора. У корпусі є виточки для установки діафрагм, роз’єм яких збігається з площиною роз’єму корпусу турбіни. За периферії діафрагм розміщені соплові канали (грати), утворені криволінійними лопатками, залитими в тіло діафрагм або привареними до нього. У місцях проходу вала крізь стінки корпусу встановлені кінцеві ущільнення для попередження витоків пари назовні (з боку високого тиску) і засмоктування повітря в корпус (з боку низького). На передньому кінці валу встановлюється граничний регулятор (регулятор безпеки), автоматично зупиняє турбіну при збільшенні частоти обертання на 10-12% понад номінальну.

Класифікація парових турбін

Залежно від характеру теплового процесу парові турбіни поділяються на 3 основні групи: конденсаційні, теплофікаційні та турбіни спеціального призначення. Також за типом ступенів турбін вони класифікуються як активні та реактивні.

Конденсаційні парові турбіни Конденсаційні парові турбіни служать для перетворення максимально можливої частини теплоти пари в механічну роботу. Вони працюють з випуском (вихлопом) відпрацьованої пари в конденсатор, в якому підтримується вакуум (звідси виникло найменування). Конденсаційні турбіни бувають стаціонарними і транспортними. Стаціонарні турбіни виготовляються на одному валу з генераторами змінного струму. Такі агрегати називають турбогенераторами. Теплові електростанції, на яких встановлені конденсаційні турбіни, називаються конденсаційними електричними станціями ( КЕС). Транспортні парові турбіни використовуються як головних так і в допоміжних двигунах на кораблях і суднах. Неодноразово робилися спроби застосувати парові турбіни на локомотивах, проте паротурбовози поширення не отримали. Для з’єднання швидкохідних турбін з гребними гвинтами, які вимагають невеликої (від 100 до 500 об / хв) частоти обертання, застосовують зубчасті редуктори. На відміну від стаціонарних турбін (крім турбовоздуходувок), суднові працюють зі змінною частотою обертання, що визначається необхідною швидкістю ходу судна.

Теплофікаційні парові турбіни Теплофікаційні парові турбіни служать для одночасного отримання електричної та теплової енергії. Але основний кінцевий продукт таких турбін – тепло. Теплові електростанції, на яких встановлені теплофікаційні парові турбіни, називаються теплоелектроцентралями ( ТЕЦ). До теплофікаційних парових турбін відносяться турбіни з протитиском, з регульованим відбором пари, а також з відбором і протитиском. У турбін з відбором і протитиском частина пари відводиться з 1 або 2 проміжних ступенів, а вся відпрацьована пара прямує з випускного патрубка в опалювальну систему або до мережевого підігрівача.

Парові турбіни спеціального призначення Парові турбіни спеціального призначення зазвичай працюють на теплі металургійних, машинобудівних, і хімічних підприємств. До турбін спеціального призначення відносяться приводні турбіни різних агрегатів, що вимагають високої потужності приводу. Наприклад живильні насоси потужних енергоблоків електростанцій, нагнітачі і компресори газокомпресорних станцій і т. д. Зазвичай стаціонарні парові турбіни мають нерегульовані відбори пари із ступенів тиску для регенеративного підігріву живильної води. Парові турбіни спеціального призначення не будують серіями, як конденсаційні і теплофікаційні, а в більшості випадків виготовляють за окремими замовленнями.