Паротурбинная установка принцип работы

Сборка ротора паровой турбины, производство Siemens, Германия

Паровые турбины: преобразование горячего пара в электричество

Ученые до сих пор бьются над поиском наиболее эффективного способа выработки электроэнергии – прогресс был достигнут от гальванических элементов до первых динамомашин, паровых турбин, атомных электростанций и теперь солнечных, ветряных и водородных электростанций. Сегодня самым популярным и удобным способом выработки электроэнергии остается генератор, работающий на паровой турбине.

Паровые турбины были изобретены задолго до того, как человек понял природу электричества. В этой статье мы упрощенно рассмотрим устройство и работу паровой турбины, а также расскажем, как древнегреческий ученый опередил свое время на пятнадцать веков, как произошла революция в конструкции турбин и почему компания Toshiba считает, что тридцатиметровая турбина должна быть изготовлена с точностью до 0,005 мм.

Принцип работы паровой турбины

Принцип работы паровой турбины относительно прост, а ее внутренняя структура принципиально не менялась уже более века. Чтобы понять, как работает турбина, рассмотрим принцип работы теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) – места, где ископаемое топливо (газ, уголь, мазут) преобразуется в электроэнергию.

Паровая турбина не работает сама по себе; для ее работы необходим пар. Поэтому электростанция начинается с котла, в котором сгорает топливо, передавая тепло трубам с дистиллированной водой, пронизывающим котел. В этих тонких трубах вода превращается в пар.

Наглядная схема работы теплоэлектростанции, вырабатывающей как электроэнергию, так и тепло для отопления дома. Источник: Мосэнерго

Турбина представляет собой вал (ротор) с радиально расположенными лопастями – как у большого вентилятора. За каждым таким диском находится статор – такой же диск с лопатками другой формы, который крепится не к валу, а к самому корпусу турбины и поэтому остается неподвижным (отсюда и название – статор).

Пара, состоящая из одного вращающегося диска с лопатками и статора, называется ступенью. Паровая турбина имеет десятки ступеней – тяжелый вал турбины весом от 3 до 150 тонн не может вращаться только в одной ступени, поэтому ступени расположены последовательно, чтобы извлечь из пара максимальную потенциальную энергию.

Пар подается в турбину при очень высокой температуре и давлении. Различают низкое (до 1,2 МПа), среднее (до 5 МПа), высокое (до 15 МПа), очень высокое (15-22,5 МПа) и сверхкритическое (более 22,5 МПа) давление пара. Для сравнения, давление внутри бутылки шампанского составляет около 0,63 МПа, а внутри автомобильной шины – 0,2 МПа.

Чем выше давление, тем выше температура кипения воды и, следовательно, температура пара. На вход турбины подается пар, перегретый до 550-560 °C! Почему так много? Проходя через турбину, пар расширяется для поддержания расхода и теряет температуру, поэтому нужен запас. Почему бы не нагреть пар больше? До недавнего времени это считалось крайне сложным и бессмысленным – нагрузка на турбину и котел становилась критической.

Конденсационные паровые турбины

Конденсационные паровые турбины предназначены для преобразования как можно большего количества тепла пара в механическую работу. Они работают путем выпуска (сброса) отработанного пара в конденсатор, где поддерживается вакуум (отсюда и название). Конденсационные турбины могут быть как стационарными, так и транспортными.

Стационарные турбины строятся на том же валу, что и генераторы переменного тока. Они называются турбогенераторами. Тепловые электростанции с конденсационными турбинами называются конденсационными энергетическими установками (КЭУ). Основным конечным продуктом таких электростанций является электроэнергия. Лишь небольшая часть тепловой энергии используется для собственных нужд электростанции и иногда для обеспечения теплом близлежащего населенного пункта. Обычно это поселок электростанции. Доказано, что чем мощнее турбогенератор, тем он экономичнее и тем ниже стоимость одного кВт установленной мощности. Поэтому на конденсационных электростанциях устанавливаются турбогенераторы с большей мощностью.

Скорость вращения ротора стационарного турбогенератора связана с частотой электрического тока 50 Гц. В двухполюсных машинах 3000 об/мин, в четырехполюсных машинах 1500 об/мин соответственно. Частота вырабатываемого электрического тока является одним из основных показателей качества поставляемой электроэнергии. Современные технологии позволяют поддерживать скорость с точностью до трех оборотов. Резкое снижение частоты электрического тока приводит к прерыванию подачи электроэнергии и аварийному отключению агрегата, в котором произошел такой сбой.

В зависимости от назначения паровые турбины на электростанциях могут быть основными, которые несут постоянную основную нагрузку; пиковыми, которые работают кратковременно для покрытия пиковых нагрузок; и вспомогательными, которые обеспечивают собственные потребности электростанции в электроэнергии. Первичные турбины требуют высокого КПД при нагрузке, близкой к полной (около 80%), пиковые турбины требуют быстрого запуска и ввода в эксплуатацию, а вспомогательные турбины требуют особой эксплуатационной надежности. Все паровые турбины для электростанций рассчитаны на 100 000 часов работы (до капитального ремонта).

Тепловые паровые турбины

Тепловые паровые турбины используются для одновременной выработки электроэнергии и тепла. Однако основным конечным продуктом этих турбин является тепло. Тепловые электростанции с паровыми турбинами называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Теплофикационные паровые турбины включают в себя турбины с противодавлением, управляемым отбором и отбором и турбины с противодавлением.

В случае турбин с противодавлением весь отработанный пар используется для технологических целей (приготовление пищи, сушка, отопление). Электрическая мощность турбоагрегата с такой паровой турбиной зависит от потребности в греющем паре производственной или отопительной системы и изменяется в зависимости от нее. Поэтому турбина противодавления обычно работает параллельно с конденсационной турбиной или электрической сетью для покрытия возникающего дефицита мощности.

В турбинах с регулируемым отбором часть пара отбирается из 1 или 2 промежуточных ступеней, а остальная часть поступает в конденсатор. Давление отбора поддерживается в определенных пределах системой управления. Точка отбора (ступень турбины) выбирается в соответствии с требуемыми параметрами пара.

В турбинах с отбором и противодавлением часть пара отбирается из 1 или 2 промежуточных ступеней, а весь отработанный пар направляется из выходного патрубка в систему отопления или в сетевые нагреватели.

Схема работы тепловой турбины: Свежий (острый) пар из котла (1) направляется через паропровод (2) направляется на рабочие лопатки цилиндра паровой турбины высокого давления (ПВД). (3). В процессе расширения кинетическая энергия пара преобразуется в механическую энергию для вращения ротора турбины, который соединен с валом (4) электрический генератор (5). Во время расширения пара тепло отбирается из цилиндров среднего давления, и пар направляется в (6) водонагреватели в системе (7). Отработанный пар с последней стадии поступает в конденсатор, где он конденсируется и затем по трубопроводу (8) направляется обратно в котельную с помощью насоса. (9). Большая часть тепла от котла используется для нагрева отопительной воды.

Активная ступень паровой турбины:

1 – направляющие лопатки; 2 – лопатки турбины; 3 – вал ротора.

В активных турбинах тепловая энергия преобразуется в кинетическую непосредственно при постоянном расширении; на обе стороны рабочих лопаток действует одинаковое давление. В реактивной турбине только часть тепловой энергии преобразуется в кинетическую энергию в неподвижных расширителях. В каналах между лопатками происходит дальнейшее падение давления и оставшаяся тепловая энергия преобразуется в кинетическую энергию, которая одновременно используется там для совершения механической работы. По обе стороны ротора рабочих лопаток в реактивной турбине действуют различные давления, которые вызывают дополнительную осевую силу, стремящуюся повернуть ротор в направлении основного потока пара. Ступень реактивной турбины показана на рисунке ниже. На нем показана осевая сила, возникающая из-за разницы давлений до и после лопаток.

Ступень реактивной паровой турбины

Современные главные паровые турбины обычно состоят из двух корпусов. В одном корпусе находится ротор турбины высокого давления, а в другом – ротор турбины низкого давления. Каждая турбина состоит из нескольких ступеней, которые в зависимости от типа турбины обозначаются как ступени давления или скорости. Рабочий пар последовательно проходит через неподвижное расширительное кольцо и кольцо лопаток. Поскольку в процессе расширения объем пара постоянно увеличивается, лопатки должны быть длиннее, так как давление снижается. В корпусе турбины низкого давления имеются специальные кольца рабочих лопаток турбины, вращающихся во встречном направлении. Турбины главной энергетической установки на судах с винтами изменяемого шага не нуждаются в реверсивных турбинах. Помимо турбин главной энергетической установки, в машинных отделениях судов устанавливаются вспомогательные турбины для привода генераторов, насосов, вентиляторов и т. д. Иногда они используются на дизельных судах, например, на танкерах, в качестве турбогенераторов или грузовых насосов с турбоприводом.

Классификация паровых турбин [ ]

[3] В зависимости от В зависимости от характера теплового процесса Паровые турбины делятся на 3 основные группы:

• конденсационные – без регулируемого (поддерживаемого давления) отбора пара;
• паровые турбины – с регулируемым отбором;
• турбины специального назначения.

Конденсационные паровые турбины [ ].

Конденсационные паровые турбины предназначены для преобразования как можно большего количества теплоты пара в механическую работу. Они работают с отводом (выпуском) отработанного пара в конденсатор (отсюда и название), где поддерживается вакуум. Конденсационные турбины могут быть как стационарными, так и транспортными.

Стационарные турбины строятся на том же валу, что и генераторы. Такие агрегаты называются турбогенераторами. Тепловые электростанции с конденсационными турбинами называются конденсационными энергетическими установками (КЭУ). Основным конечным продуктом таких электростанций является электроэнергия. Лишь небольшая часть тепла используется для собственных нужд электростанции, а иногда для обеспечения теплом близлежащего населенного пункта. Обычно это поселок электрогенераторов. Доказано, что чем мощнее турбогенератор, тем он экономичнее и тем ниже стоимость одного кВт установленной мощности. Именно поэтому турбогенераторы с большей мощностью устанавливаются на конденсационных электростанциях.

Скорость вращения ротора стационарного турбогенератора пропорциональна частоте электрического тока 50 Гц (синхронная машина). Это означает 3000 об/мин для двухполюсных машин и 1500 об/мин для четырехполюсных машин соответственно. Частота электрического тока является одним из основных показателей качества вырабатываемой электроэнергии. Современные технологии позволяют поддерживать частоту сети с точностью до 0,2% (ГОСТ 13109-97). Внезапное снижение электрической частоты приводит к отключению питания и аварийной остановке пострадавшего агрегата.

Малые паровые турбины [ ]

[4] В электроэнергетике под малыми генерирующими установками понимаются установки мощностью менее 10 МВт. В настоящее время в России, как и в других странах с рыночной экономикой, остро стоит вопрос электроснабжения предприятий и населенных пунктов в отдаленных районах, где отсутствует централизованное электроснабжение. Для первых дизельные системы генерации становятся чрезвычайно дорогими по мере роста цен на это топливо. Также иногда критически важно подключать к электроснабжению новые малые и средние предприятия, когда для них нет резерва электрической мощности. В этом случае всегда приходится решать, что дешевле: построить новую сеть к основным линиям электропередачи, подключиться к ним по тарифам местных энергокомпаний и затем получать энергию по их тарифам, или построить собственную автономную малую электростанцию и быть полностью энергетически независимым. В этом случае небольшие паровые электростанции, работающие на дешевом твердом топливе, всегда могут вырабатывать электроэнергию дешевле, чем та, которую энергокомпании предлагают получить из сети.

Однако при таком способе автономного энергоснабжения всегда возникает вопрос о стоимости малой паровой электростанции. К сожалению – с уменьшением размеров паротурбинной электростанции снижается ее термодинамический КПД и увеличивается цена за кВт мощности генератора. Так, цена паротурбинных электростанций с циклом ORC от итальянского производителя "TURBODEN" составляет около 3 000 евро за 1 кВт установленной мощности. А электрический КПД такой дорогой установки довольно низок – всего 18%.

Попытки разработать стандартные малые паротурбинные электростанции всегда ограничивались мизерным КПД таких электростанций. Например – в книге Ф. Бойко "Паровозы промышленного транспорта" указано, что в середине 1950-х годов турбогенератор паровоза мощностью 1 кВт потреблял 100 кг пара (КПД – 1%) на 1 кВт/час мощности, а в книге П. Черняева "Паровозы и их эксплуатация" (на русском языке) КПД составлял около 20%. Черняева "Судовые энергетические установки и их эксплуатация" (учебник для средней школы) – указано, что в середине 1970-х годов главные паротурбинные энергетические установки достигали КПД 35%, но малые судовые энергетические установки мощностью 15-50 кВт (для привода вспомогательных судовых механизмов) потребляли до 30 кг пара в час на кВт мощности, в 5 раз хуже, чем главная тележка. Трудность достижения малыми турбинами высокой эффективности больших турбин заключается в изменении отношения количества пара, вытекающего из сопел, к периферийной скорости лопаток турбины по мере уменьшения диаметра ротора малых турбин. По этой причине малые паровые турбины очень редко используются в автономных системах распределенной генерации.

Из каких процессов состоит цикл Ренкина

Цикл Ренкина состоит из следующих процессов:

1. Адиабатический процесс Расширение Адиабатический процесс расширения пара в паровой турбине Т (процесс e-f). Как видно из t-s диаграмма, адиабатический процесспротекает без увеличения энтропииsчто означает, что процесс является идеальным, без теплообмена с окружающей средой. Рабочее тело в точке f находится в состоянии насыщенного парао чем свидетельствует его положение ниже кривой насыщения x=1.
2. Процесс конденсация процесс конденсации в конденсаторе К (процесс f-a′). Этот процесс изотермическийпроцесс отвода теплоты конденсации q2выделившегося водяного пара в окружающую среду. Количество отводимого тепла равно площади 1a′f2. Процесс заканчивается в точке а′расположенной на кривой насыщения х=0 (жидкость в насыщенном состоянии).
3. Процесс сжатие (повышение давления) воды в питательном насосе ПУ котла. Этот процесс a′-àадиабатический. Увеличение давления воды требует совершения работы Lн.
4. Процесс нагрева питательной воды а-b в экономайзере парогенератора EK до температуры насыщения состояние насыщения.
5. Изотермическийпроцесс b-cиспарение Котельная вода в экранных трубах парогенератора ПГ (котел). Этот процесс не изменяет температуру рабочей среды, только количество тепла, подводимого для преобразования воды в пар. Количество выделяемого тепла зависит от давления в котле. GHG. Процесс заканчивается в точке срасположенной на кривой насыщения х=1где рабочая среда находится в состоянии сухого насыщенного пара.
6. Процесс перегрев пар c-e выше температуры насыщения. Этот процесс происходит при постоянном давлении в пароперегревателе. PP парогенератор.

Разновидности цикла Ренкина

Классический цикл Ренкина на перегретом паре и составляющие его процессы были рассмотрены выше. Однако на современных тепловых и атомных электростанциях цикл Ренкина используется с некоторыми модификациями, такими как

• Косвенный перегрев
• Параметры сверхкритического пара
• Регенерация
• Комбинация с циклом Брайтона для газовых турбин

С косвенным перегревом

Можно увеличить тепловую эффективность цикла путем повторного нагрева пара. Перегретый пар поступает в цилиндр высокого давления (ЦВД) паровой турбины ниже по потоку от котла. Здесь пар расширяется и совершает работу. После ЦВД большая часть пара направляется в промежуточный пароперегреватель парового котла. В промежуточном пароперегревателе пар повторно нагревается до высокой температуры. Затем перегретый пар направляется обратно в турбину в цилиндры среднего и низкого давления (ЦСД и ЦНД).

Помимо повышения эффективности цикла, косвенный перегрев снижает содержание влаги в паре, то есть долю капель воды, в конце процесса расширения на последних ступенях паровой турбины. Это повышает эффективность и надежность электростанции.

При сверхкритических параметрах пара

Другим способом повышения производительности и эффективности паровой электростанции является переход к сверхкритическим параметрам пара. Давление воды в питательном насосе увеличивается, превышая критическое давление воды, равное 22,064 МПа, 221,15 бар, 217,75 атм.. Испарение воды при таком давлении происходит без изотермического процесса кипения. В сверхкритических котлах вода превращается в пар без процесса кипения. Сверхкритический цикл Ренкина с косвенным перегревом пара выглядит следующим образом.