Паровые турбины — это механические устройства, преобразующие тепловую энергию пара под давлением в механическую работу, которая затем используется для выработки электроэнергии или выполнения других видов механических задач. Они широко используются на электростанциях, в промышленных процессах и в судовых двигательных установках. Машина, которая собирает тепловую энергию из пара под давлением и использует эту энергию для выполнения механической работы на вращающемся выходном валу, называется «Паровой турбиной’. Чарльз Парсонс был тем, кто впервые разработал концепцию современной паровой турбины в 1884 году.
Паровую турбину можно подключить к генератору для преобразования ее вращательного движения в электроэнергию, поскольку она генерирует вращательное движение, превращая ее в генератор паровой турбины. В этой статье мы изучим паровые турбины, как они работают, детали, основные типы и кратко расскажем о том, как эти паровые турбины модифицируются в качестве паротурбинных генераторов для выработки электроэнергии.
Паровые турбины
Паровая турбина — это машина, которая использует тепловую энергию пара под давлением для создания механической работы на вращающемся выходном валу. Пар образуется путем нагрева воды с использованием таких источников тепла, как уголь, газ, солнечная или ядерная энергия. Когда пар проходит мимо вращающихся лопастей турбины, он охлаждается и расширяется, преобразуя свою потенциальную энергию в кинетическую энергию лопастей. Это делает паровые турбины идеальными для приведения в действие электрогенераторов, поскольку они генерируют вращательное движение, которое может быть преобразовано в электрическую энергию с помощью магнитного поля. Паровые турбины не потребляют топливо напрямую, а скорее используют пар высокого давления из котлов или парогенераторов-утилизаторов тепла (HRSGS).
Паровая турбина — это тип первичного двигателя, который преобразует доступную энергию пара высокого давления в механическую энергию в форме вращательного движения. Динамическое действие пара, расширяемого соплом, имеет важное значение для функционирования паровых турбин.
Паровые турбины также можно рассматривать как тип теплового двигателя, который эффективно повышает термодинамическую эффективность системы за счет использования многих стадий расширения пара, что приводит к процессу, более близкому к идеальному процессу обратимого расширения.
Современные паровые турбины изготавливаются с использованием сложных технологий металлообработки, которые впервые стали возможными в 20 веке. Паровые турбины в реальной жизни представлены на изображении ниже.
Рис. 1: Паровая турбина без крышки
Принцип работы паровой турбины
Давайте сначала познакомимся с различными частями турбины, которые отвечают за механическую работу, выполняемую в любой паровой турбине.
Детали паровой турбины
Есть несколько важных деталей, которые остаются общими для любого типа современных паровых турбин или старых турбин, с которыми мы сталкиваемся. В типичной турбине есть четыре важных детали, как показано на рисунке 2 ниже.
Рис. 2: Детали типичной паровой турбины
1. Сопло: В паровой турбине или паротурбинном генераторе паровое сопло представляет собой канал с постепенно изменяющейся площадью поперечного сечения, который используется для преобразования тепловой энергии пара в кинетическую энергию.
2. Ротор: Он состоит из колеса, установленного на валу, как показано на рисунке 2. Ротор установлен на подшипнике таким образом, чтобы он мог вращаться плавно и эффективно. Лопасти ротора установлены по всей его окружности.
Ротор в типичной турбине бывает двух типов: барабанного и дискового типа
3. Лопасти: По всей окружности ротора установлено большое количество лопастей. Движение лопастей вызвано исключительно воздействием пара, и их профили не сходятся. Поскольку пар проходит между лопастями, это приводит к снижению скорости пара и практически без снижения давления. Здесь представлены только два типа лопастей: неподвижные и подвижные.
4. Кожух: Это кожух, в котором размещены лопасти и узел ротора, а также удерживается сопло на месте. Благодаря использованию какого-либо уплотнения или сальника, позволяющего валу свободно вращаться и предотвращающего утечки, корпус удерживается отдельно от ротора.
Существует два корпуса – внутренний и внешний кожух.
5. Диафрагма: Соединение одной диафрагмы и одного колеса называется ‘Ступенью’. Диафрагма для ступени паровой турбины состоит из полых направляющих лопаток, один конец каждой из которых прикреплен к ободу диафрагмы, а другой — к корпусу диафрагмы.
В каждой лопасти имеется по крайней мере одно отверстие для удаления жидкой фазы из влажного пара.
Ротор
Как мы уже знаем, вал и колесо в совокупности называются ротором. Вал в роторе соединен с генератором для выработки электроэнергии, в то время как колеса содержат закрепленные на них лопасти. Существует два типа роторов, как показано на рисунке ниже.
(A) Барабанный тип: В этом типе лопасти установлены рядами на цилиндрическом барабане. Они поддерживаются подшипниками. Подшипники — это элемент машины, который поддерживает вращательное движение. Создаваемый крутящий момент передается через стенку барабана.
(B) Дисковый тип: В этом типе диски специального профиля соединены с валом. Лопасти установлены по окружности этих валов. Здесь создаваемый крутящий момент передается валом.
Давайте узнаем, как соединяются эти детали.
Конструкция паровой турбины
Детали турбины, которые мы только что обсудили, расположены стратегически, чтобы выполнять работу с максимальной эффективностью. Обычно турбины состоят из неподвижных и движущихся частей. Давайте начнем с движущихся частей.
(A) Перемещение:
- Вал проходит по всей длине турбины.
- Один конец вала подсоединен к генератору.
- Колеса турбины или ротор соединены с валом.
- Эти колеса, как правило, состоят из лопастей или ковшей.
- Вал и колеса в совокупности называются «Ротором«.
- Колеса вращаются, когда пар проходит через их вращающиеся лопасти. Вращение колеса приводит в движение вал и генератор.
(B) Стационарные:
- Ротор поддерживается подшипником, который размещен в корпусе, или цилиндре, как иногда называют его в промышленности.
- Диафрагмы расположены в кожухах между колесами.
- Корпус и диафрагма являются неподвижными частями турбины.
- Diaphram имеет лопасти, которые называются соплами.
- Функция диафрагмы заключается в направлении пара, выходящего с одной стороны вращающихся лопастей, к следующему набору лопастей.
Принцип работы паровой турбины
Цикл Ренкина является фундаментальным принципом работы паровых турбин. Цикл Ренкина — это идеализированный термодинамический цикл теплового двигателя, который преобразует тепло в механическую работу во время фазового перехода. Здесь потерями на трение пренебрегают.
При расширении через турбину энергия пара передается на механическую работу. Расширение происходит за счет последовательности неподвижных лопастей (сопел) и движущихся лопастей. Стоит отметить, что,
- Динамическое действие пара, расширяемого соплом, имеет важное значение для функционирования паровых турбин.
- В форсунку поступает пар высокого давления из котла, который затем расширяется, как показано на рисунке ниже.
Рис. 3: Расширение пара в сопле
- Сопловой или лопаточный канал — это место, где энтальпия пара первоначально преобразуется в кинетическую энергию пара.
- Пар с высокой скоростью, создаваемый соплом, проходит через изогнутую лопасть, в результате чего изменяется ее импульс.
- Паровая турбина вырабатывает электроэнергию за счет изменения импульса струи пара, когда она проходит через лопатку.
Поскольку у нас есть базовое представление о принципе работы, давайте изучим его с технической точки зрения.
Потери в паровых турбинах
1. Потери на трение: минимизируйте механическое трение за счет смазки и технического обслуживания.
2. Утечка пара: Внедрите эффективные системы уплотнений и методы технического обслуживания, чтобы минимизировать утечку пара.
3. Потери в лопатках: используйте передовые конструкции лопаток и материалы и обеспечивайте регулярное техническое обслуживание лопаток.
4. Потери в конденсаторе: поддерживайте надлежащий уровень вакуума, оптимизируйте подачу охлаждающей воды и проводите регулярное техническое обслуживание.
5. Тепловые потери: Используйте изоляцию и теплозащиту для минимизации тепловых потерь.
6. Потери на парусность: используйте аэродинамические конструкции и минимизируйте зазоры между вращающимися и неподвижными компонентами.
7. Электрические потери: Оптимизируйте конструкцию и эксплуатацию генератора для снижения электрического сопротивления и магнитного гистерезиса.
Диаграмма зависимости давления от скорости
Рассмотрите рабочее изображение с P-v схемой импульсной турбины Де Лаваля (мы обсудим ее позже в статье) на рисунке 4 ниже.
Рис. 4: Изменение давления и скорости в турбине Де Лаваля
На рисунке 5 показано схематическое представление расположения лопаток с использованием P-v диаграммы паровой турбины Де Лаваля, рассмотренной для пояснения. Сопло и лопатки показаны в верхней части, а давление и расход пара при прохождении через канал сопла и лопатки показаны в нижней части.
Изменение давления и скорости объясняется ниже.
- Когда пар поступает в сопло турбины, давление пара высокое, а скорость равна нулю или пренебрежимо мала.
- После расширения в форсунках давление пара снижается. Это показано кривой PQ на диаграмме.
- Скорость увеличивается в процессе расширения пара в сопле, что показано кривой AB.
- Перемещаемый таким образом пар воздействует на лопасти с высокой скоростью. При этом вращаются лопасти, которые вращают ротор.
- Пар, проходящий через лопасти после воздействия вращательного движения на лопасти, имеет уменьшенную скорость, как показано кривой BC, но постоянное давление, как показано кривой QR.
Как работают лопатки паровой турбины?
Лопасти паровой турбины играют решающую роль в преобразовании энергии пара высокого давления в механическую энергию вращения. В паровой турбине есть два основных типа лопастей: неподвижные лопасти, также известные как сопла или диафрагмы, и вращающиеся лопасти, часто называемые ковшами или лопастями ротора.
Теперь давайте узнаем о типах паровых турбин и работе нескольких основных типов.
Типы паровых турбин
Существует несколько категорий, по которым классифицируются эти турбины. Они основаны на различных условиях эксплуатации. Категории и классификация паровых турбин следующие:
- Основано на действии пара:
- Импульсная турбина
- Реактивная турбина
- В зависимости от направления потока пара:
- Осевая турбина
- Радиально-проточная турбина
- В зависимости от количества ступеней:
- Одноступенчатые
- Многоступенчатые
- В зависимости от давления пара на входе:
- Низкое давление
- Среднее давление
- Высокое давление
- Сверхкритическое давление
- На основе метода управления:
- Турбина с дроссельной заслонкой
- Турбина, управляющая соплом
- Турбина с байпасным управлением
- В зависимости от промышленного использования:
- Стационарная турбина с постоянной частотой вращения
- Стационарная турбина с переменной частотой вращения
- Нестационарные турбины
Импульсные и реактивные турбины являются наиболее часто используемыми среди этих различных типов. Давайте узнаем о них больше.
Импульсная турбина
Импульсная турбина — это тип турбины, в которой падение давления происходит только в сопле. Здесь используются роторы дискового типа. На рисунке 5 показано схематическое изображение этой импульсной паровой турбины.
Рис. 5: Импульсная паровая турбина
Как обсуждалось выше, у них есть два подтипа.
Простой импульс (турбина Де Лаваля)
Эта турбина подходит для работы с паром низкого давления. Это чисто ударная турбина с одним турбинным колесом, несущим один ряд ковшей, в которые пар подается с максимально возможной скоростью.
Эти струи пара выходят из стационарных сопел, сужающихся для увеличения площади их поперечного сечения по направлению к выходному концу сопла, предполагая, что вся доступная энергия была преобразована в кинетическую энергию.
Комбинированная импульсная турбина
Тенденция заключается в производстве пара высокого давления и температуры, до 100-150 бар и примерно 550∘∘В результате технического усовершенствования происходит перегрев C. В результате пар расширяется не за один этап, а за несколько этапов.
Компаундирование — это успешный метод использования всего доступного количества энергии.
Давайте изучим три основных типа турбин.
Турбина с компаундированием скорости (Curtis)
В данном случае используется один набор сопел и два или более рядов подвижных лопастей, расположенных последовательно. Между двумя рядами подвижных лопастей соответствующим образом расположен набор направляющих лопастей, которые закреплены и подвешены к корпусу турбины. Расположение лопастей в неподвижных рядах прямо противоположно расположению подвижных рядов.
Турбина с компаундом давления (Rateau)
Импульсная турбина с компаундом давления состоит из нескольких последовательных простых импульсных турбин, установленных на одном валу. Эта конструкция состоит из чередующихся рядов неподвижных сопел и последовательно движущихся рядов лопастей, при этом ряд неподвижных сопел расположен в начале каждого ряда движущихся лопастей.
От высокого давления до давления выхлопа весь перепад давления делится на более мелкие перепады давления, которые происходят последовательно на различных этапах.
Турбина с компаундом давления и скорости
Эти турбины являются результатом сочетания давления и скорости в процессе компаундирования. Эта система очень хорошо подходит для случая, когда диапазон давлений очень широк. Общеизвестно, что двухрядная турбина с регулируемой скоростью более эффективна при преобразовании кинетической энергии в полезную механическую работу, чем трехступенчатая турбина с регулируемой скоростью.
С другой стороны, создание двухрядной турбины с регулируемой скоростью вращения сопряжено со значительными трудностями из-за увеличения скорости вращения каждой лопасти.
Теперь давайте перейдем к другому, но последнему типу важных паровых турбин.
Реактивная паровая турбина
В реактивной паровой турбине струя пара выходит из сопла на роторе (вращающихся лопастях) и расширяется неподвижными лопастями. Сила вращения ротора определяется паром, выходящим из лопастей. Здесь используются роторы барабанного типа.
Примерно 50% выходной мощности создается силой удара, а остальные 50% — силой реакции на расширение пара. Турбина Фрэнсиса, турбина Каплана-Пропеллера и турбина Дериаза — все это примеры современных реактивных паровых турбин.
На рисунке 6 показано схематическое представление реактивной паровой турбины.
Рис. 6: Реактивная паровая турбина
Преимущества паровых турбин
Ниже приведены преимущества паровых турбин:
- Их надежность особенно высока, когда требуется длительная выдача высокой мощности.
- Они менее подвержены вибрациям, чем поршневые двигатели.
- Они требуют меньшего массового расхода, чем газовые турбины.
- По сравнению с поршневыми двигателями современные паровые турбогенераторы имеют относительно высокое отношение мощности к весу.
- Как правило, тепловая эффективность выше, чем у поршневых двигателей.
Недостатки паровых турбин
Хотя преимущества заметны, у этих паровых турбин есть определенные недостатки.
- По сравнению с поршневыми двигателями они менее чувствительны к изменениям потребляемой мощности.
- Время их запуска больше, чем у газовых турбин и поршневых двигателей.
- При работе с частичной нагрузкой КПД паротурбинного генератора или паровой турбины уступает КПД поршневого двигателя.
Ограничения паровых турбин
Некоторые ограничения не позволяют промышленным предприятиям широко использовать эти турбины.
- Потери энергии:
- Радиационные теплопотери в результате плохой изоляции
- Потеря давления пара в регулирующих клапанах и трубах
- Потеря механического трения в подшипниках и других поверхностях
- Утечка пара
- Потери на трение в соплах
- Потери на трение лопаток
- Неисправность турбины:
- Превышение скорости турбины
- Иногда, когда разрежение в конденсаторе низкое.
- Неисправность системы смазки
- Высокие вибрации турбин
Как паровая турбина улавливает энергию?
Пар содержит значительное количество тепловой энергии из-за своей высокой температуры и давления. Паровые турбины спроектированы так, чтобы улавливать и эффективно использовать эту энергию. Вот как из пара улавливается столько энергии.:
1. Высокое давление и температура: Паровые турбины извлекают энергию из пара благодаря его высокому давлению и температуре.
2. Расширение и скорость: Пар расширяется в турбине, увеличивая скорость и преобразуя внутреннюю энергию в кинетическую.
3. Конструкция лопасти: Оптимизированная конструкция лопасти эффективно извлекает кинетическую энергию из высокоскоростного потока пара.
4. Импульсные и реактивные принципы: Импульсные турбины используют высокоскоростные струи пара для передачи энергии, в то время как реактивные турбины используют расширение пара и взаимодействие с лопастями.
5. Несколько ступеней: Пар проходит через несколько ступеней, что позволяет последовательно извлекать энергию для повышения эффективности.
6. Конденсация и повторный нагрев: Конденсирующийся пар выделяет дополнительную тепловую энергию, в то время как повторный нагрев поддерживает высокий уровень энергии, что повышает общую эффективность.
Применение паровых турбин
1) Газовые турбины заменили паровые турбины на быстроходных судах и дизельные двигатели на обычных судах с 1980-х годов, за исключением атомных кораблей, подводных лодок и перевозчиков СПГ. Некоторые вспомогательные суда все еще приводятся в движение паром.
2) В настоящее время ВМС Индии эксплуатируют INS Vikramaditya, модифицированный авианосец класса «Киев», а также три фрегата класса «Брахмапутра» с современными паровыми турбинами.
3) Первоначальная функция паровой турбины заключалась в выработке полезной электрической энергии, хотя позже она использовалась для различных целей, особенно для военно-морских силовых установок. Следовательно, паровые турбины используются в качестве паротурбинных генераторов.
4) Современные паровые турбины часто используются в области возобновляемых источников энергии. Электростанции, централизованное теплоснабжение, биомасса, преобразование отходов в энергию, опреснение морской воды и солнечное тепло — все подпадают под эту категорию.
5) Современные паротурбинные электростанции, использующие ископаемое топливо, по-прежнему будут обеспечивать связь с устойчивым будущим. Они служат связующим звеном с возобновляемыми источниками энергии, которые в конечном итоге будут обеспечивать устойчивое энергоснабжение и растут.
6) Паротурбинные электростанции последних разработок сочетают в себе электростанцию комбинированного цикла с современной паровой турбиной для преобразования энергии с КПД более 60%. Иллюстрация этого показана на анимации ниже.
Рис. 7: GIF-изображение работы паровой турбины