Недостатки паровой турбины кратко

Обновлено: 05.07.2024

Сегодняшний уровень конструкторских разработок и технологий позволяет изготавливать паровые турбины малых габаритов под любые конкретные параметры эксплуатации. С экономической точки зрения замена частотного привода на паровой дает большой эффект: по нашим расчетам (с учетом расхода пара) – порядка 38 рублей на кВт, не считая экономии на самом оборудовании. Именно поэтому, как только на предприятии начинают заниматься энергоаудитом, искать пути экономии ресурсов или возможности закрыть дефицит электроэнергии, усиливается интерес к паровой энергии.

Существует еще один существенный плюс паровой машины – экологический. На выходе парогенератора – обычный дым, остаточный пар, который можно использовать для сушки, систем ГВС и отопления, и зола, тоже пригодная как удобрение. В газогенераторной установке еще остаются т.н. подсмольные воды, фенолы, спирты, ацетоны и др. Кроме того, паровая техника по простоте обслуживания не сравнится ни с какой другой.

Паровые турбины работают следующим образом: пар, образующийся в паровом котле под высоким давлением, 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. Мощность паровых турбин единичной установки достигает 1000 МВт.

Паровые турбины - преимущества
• работа паровых турбин возможна на различных видах топлива: газообразное, жидкое, твердое
• высокая единичная мощность
• свободный выбор теплоносителя
• широкий диапазон мощностей
• внушительный ресурс паровых турбин

Паровые турбины - недостатки
• высокая инерционность паровых установок (долгое время пуска и останова)
• дороговизна паровых турбин
• низкий объем производимого электричества, в соотношении с объемом тепловой энергии
• дорогостоящий ремонт паровых турбин
• снижение экологических показателей, в случае использования тяжелых мазутов и твердого топлива

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

В зависимости от характера теплового процесса паровые турбины подразделяются на три группы: конденсационные, теплофикационные и турбины специального назначения. По типу ступеней турбин они классифицируются как активные и реактивные.

Конденсационные паровые турбины

Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум (отсюда возникло наименование). Конденсационные турбины бывают стационарными и транспортными.

Стационарные турбины изготавливаются на одном валу с генераторами переменного тока. Такие агрегаты называют турбогенераторами. Тепловые электростанции, на которых установлены конденсационные турбины, называются конденсационными электрическими станциями (КЭС). Основной конечный продукт таких электростанций — электроэнергия. Лишь небольшая часть тепловой энергии используется на собственные нужды электростанции и, иногда, для снабжения теплом близлежащего населённого пункта. Обычно это посёлок энергетиков. Доказано, что чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее, и тем ниже стоимость 1 кВт установленной мощности. Поэтому на конденсационных электростанциях устанавливаются турбогенераторы повышенной мощности.

Частота вращения ротора стационарного турбогенератора связана с частотой электрического тока 50 Герц. То есть на двухполюсных генераторах 3000 оборотов в минуту, на четырёхполюсных соответственно 1500 оборотов в минуту. Частота электрического тока вырабатываемой энергии является одним из главных показателей качества отпускаемой электроэнергии. Современные технологии позволяют поддерживать частоту вращения с точностью до трёх оборотов. Резкое падение электрической частоты влечёт за собой отключение от сети и аварийный останов энергоблока, в котором наблюдается подобный сбой.

В зависимости от назначения паровые турбины электростанций могут быть базовыми, несущими постоянную основную нагрузку; пиковыми, кратковременно работающими для покрытия пиков нагрузки; турбинами собственных нужд, обеспечивающими потребность электростанции в электроэнергии. От базовых требуется высокая экономичность на нагрузках, близких к полной (около 80 %), от пиковых — возможность быстрого пуска и включения в работу, от турбин собственных нужд — особая надёжность в работе. Все паровые турбины для электростанций рассчитываются на 100 тыс. ч работы (до капитального ремонта).

Схема работы конденсационной турбины: Свежий (острый) пар из котельного агрегата (1) по паропроводу (2) попадает на рабочие лопатки паровой турбины (3). При расширении, кинетическая энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора турбины, который расположен на одном валу (4) с электрическим генератором (5). Отработанный пар из турбины направляется в конденсатор (6), в котором, охладившись до состояния воды путём теплообмена с циркуляционной водой (7) пруда-охладителя, градирни или водохранилища по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса (9). Большая часть полученной энергии используется для генерации электрического тока.

Теплофикационные паровые турбины

Теплофикационные паровые турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. Но основной конечный продукт таких турбин — тепло. Тепловые электростанции, на которых установлены теплофикационные паровые турбины, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). К теплофикационным паровым турбинам относятся турбины с противодавлением, с регулируемым отбором пара, а также с отбором и противодавлением.

У турбин с противодавлением весь отработавший пар используется для технологических целей (варка, сушка, отопление). Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой паровой турбиной, зависит от потребности производства или отопительной системы в греющем паре и меняется вместе с ней. Поэтому турбоагрегат с противодавлением обычно работает параллельно с конденсационной турбиной или электросетью, которые покрывают возникающий дефицит в электроэнергии.

В турбинах с регулируемым отбором часть пара отводится из 1 или 2 промежуточных ступеней, а остальной пар идёт в конденсатор. Давление отбираемого пара поддерживается в заданных пределах системой регулирования. Место отбора (ступень турбины) выбирают в зависимости от нужных параметров пара.

У турбин с отбором и противодавлением часть пара отводится из 1 или 2 промежуточных ступеней, а весь отработавший пар направляется из выпускного патрубка в отопительную систему или к сетевым подогревателям.

Схема работы теплофикационной турбины: Свежий (острый) пар из котельного агрегата (1) по паропроводу (2) направляется на рабочие лопатки цилиндра высокого давления (ЦВД) паровой турбины (3). При расширении, кинетическая энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины, который соединен с валом (4) электрического генератора (5). В процессе расширения пара из цилиндров среднего давления производятся теплофикационные отборы, и из них пар направляется в подогреватели (6) сетевой воды (7). Отработанный пар из последней ступени попадает в конденсатор, где и происходит его конденсация, а затем по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса (9). Большая часть тепла, полученного в котле используется для подогрева сетевой воды.

Паровые турбины специального назначения

Паровые турбины специального назначения обычно работают на технологическом тепле металлургических, машиностроительных, и химических предприятий. К ним относятся турбины мятого (дросселированного) пара, турбины двух давлений и предвключённые (форшальт).

Турбины мятого пара используют отработавший пар поршневых машин, паровых молотов и прессов, имеющих давление немного выше атмосферного.
Турбины двух давлений работают как на свежем, так и на отработавшем паре паровых механизмов, подводимом в одну из промежуточных ступеней.
Предвключённые турбины представляют собой агрегаты с высоким начальным давлением и высоким противодавлением; весь отработавший пар этих турбин направляют в другие с более низким начальным давлением пара. Необходимость в предвключённых турбинах возникает при модернизации электростанций, связанной с установкой паровых котлов более высокого давления, на которое не рассчитаны ранее установленные на электростанции турбоагрегаты.
Также к турбинам специального назначения относятся и приводные турбины различных агрегатов, требующих высокой мощности привода. Например, питательные насосы мощных энергоблоков электростанций, нагнетатели и компрессоры газокомпрессорных станций и т. д.

Обычно стационарные паровые турбины имеют нерегулируемые отборы пара из ступеней давления для регенеративного подогрева питательной воды. Паровые турбины специального назначения не строят сериями, как конденсационные и теплофикационные, а в большинстве случаев изготовляют по отдельным заказам.

Паровые турбины уже несколько веков находятся на службе у человека. Благодаря им работают предприятия различных отраслей промышленности, обеспечены теплом и светом большие и малые населённые пункты.

Это мощный двигатель, которые заслуживает более детального изучения.

Принцип работы, виды

Паровая турбина служит для преобразования тепловой энергии водяного пара в механическую работу.

Она состоит из двух главных частей – ротора и статора.

Ротор – подвижная часть. Представляет собой вал, вращающийся вокруг своей оси, оснащенный лопатками.
Статор – неподвижная часть, в которой имеются сопла для подачи под давлением нагретого до высокой температуры пара. Его поток направлен либо вдоль роторного вала (аксиальная турбина), либо перпендикулярно ему (радиальная турбина).

По количеству валов их делят на одновальные, двувальные и трехвальные, связанные между собой зубчатыми передачами.

Дополнительно на паровых турбинах устанавливают цилиндры, сопловые каналы, диафрагмы, концевые уплотнения, регуляторы безопасности, генераторы электрического тока.

Производят тепловую и электрическую энергию для нужд предприятий металлургии, химической, пищевой, целлюлозно-бумажной промышленностей. Снабжают население электричеством, теплом. Имеют свои достоинства и недостатки перед остальными видами тепловых машин. Рассмотрим их подробнее.

Преимущества

Работают на различных видах топлива. Для нагрева воды до газообразного состояния используют разные энергоносители. На теплоэлектростанциях – мазут, газ, уголь, торф. На атомных – энергию распада радиоактивного топлива. Можно использовать отработанный пар металлургического, химического, машиностроительного производств. Малые паровые турбины работают на бензине.
Высокая единичная мощность. Мощность одной турбины для ТЭС может равняться 1200 МВт, а для АЭС – до 1900 МВт. Самые мощные разработаны немецкой компанией Siemens и американской General Electric. Каждая имеет мощность – 1900 МВт и установлены на АЭС. Самые производительные паровые турбины в России работают на Сургутской ГРЭС-2 – по 800 МВт каждая. Всего их 6. Станция обеспечивает электроэнергией всю Тюменскую область и часть Урала.
Большой диапазон мощностей. Позволяет использовать паровые турбины для разных нужд. Самые производительные — установлены на крупных атомных и теплоэлектростанциях. Средние и малые — вырабатывают тепло и электричество для заводов, фабрик, небольших городов, отдаленных поселков. Номинальная мощность находится в пределах 50-1900 МВт. Самая маленькая – мощностью 30 кВт – позволяет автономно вырабатывать электроэнергию для коттеджа площадью до 300 квадратных метров.
Большой срок службы. Нормативными документами установлены сроки эксплуатации турбины на ТЭС – 40 лет, на АЭС – 30 лет. Для быстроизнашивающихся деталей, такие как лопатки, крепежные детали — до 6 лет. Обычно по истечении нормативных сроков службы, сохраняется остаточный ресурс и срок работы турбины продлевают.
Высокий коэффициент полезного действия. При преобразовании тепловой энергии водяного пара в механическую энергию вращения ротора паровой турбины. В современных установках КПД достигает 90%. Поэтому они установлены на электростанциях во всем мире.

Недостатки

Выводы

Несмотря на имеющиеся недостатки паровые турбины популярны в теплоэнергетике. Это обусловлено большими сроками службы, надежностью, универсальностью, широким диапазоном мощностей.

Постоянно ведутся работы по улучшению характеристик паровой турбины: повышение КПД, экологической чистоты, снижение трудоёмкости технологических процессов.

Однако альтернативные технологии производства тепла и электроэнергии становятся все более популярными, постепенно вытесняя паровую турбину с лидирующих позиций.

Паровые и газовые турбины используются для приведения в движение генератора, вырабатывающего электрическую энергию. Они отличаются по виду используемого на входе вещества. Объединение преимуществ двух типов агрегатов образует парогазовую установку, позволяющую значительно повысить коэффициент полезного действия.

Назначение энергетических турбин

Энергетическая турбина является приводным механизмом станций по выработке тепла и электроэнергии. Она представляет собой вращающийся вал с лепестками, на которые подается рабочее тело. Вследствие попадания на лопатки вещества под давлением начинает функционировать генератор, соединенный с валом и вырабатывающий энергию.

Турбины делятся на два вида в зависимости от рабочего тела: паровые и газовые.

Паровая турбина: преимущества и недостатки

В паровой турбине движение вала обеспечивается горячим паром. На входе в систему используется вода.

Преимущества:

Рис.1. Паровая турбина

Среди недостатков выделяют долгий запуск агрегата, который может длиться сутками, сложный процесс обслуживания и большое количество вредных выбросов при работе.

Газовая турбина: преимущества и недостатки

Особенностью газовой турбины является отсутствие изменения агрегатного состояния рабочего тела. Благодаря этому достигается гораздо большая рабочая температура и повышение КПД.

Преимущества газовой турбины:

Уменьшенные габариты при одинаковой мощности с паровыми
Быстрый запуск
Высокая маневренность
Широкий спектр используемого топлива
Потребность в охлаждающей жидкости снижена в 5 раз
Низкие расходы на техобслуживание, небольшой расход смазочных материалов
Малое количество сопряженных деталей, снижение потерь на трение
Постоянство электрической частоты
Снижение уровня шума и вибрации при работе, а также вредных выбросов

Обслуживание паровой и газовой турбины

Высокие температуры и нагрузки оказывают значительное влияние на срок службы механизмов турбин. Для обеспечения нормального функционирования детали производятся из жаростойких материалов с повышенной удельной прочностью.

Однако этого бывает мало и детали нуждаются в дополнительной защите, особенно в моменты запуска и остановки агрегатов.

Для этого на этапе производства элементов турбоустановок на наиболее подверженные износу части наносят антифрикционные твердосмазочные покрытия.

Рис. 3. Лопатки турбин до и после нанесения защитного покрытия на хвостовики

Хвостовики лопаток турбин обрабатываются составом MODENGY 1001, подшипники скольжения - MODENGY 1001 и MODENGY 1002, прессовые посадки - MODENGY 1005, ходовые винты - MODENGY 1001, конденсатоотводчики - MODENGY 1001, крепежные изделия - MODENGY 1014.

Парогазовая турбина

В структуре мировой энергетики усиливается удельный вес газовых турбин и парогазовых установок. Последние представляют собой агрегаты с двумя двигателями: паросиловым и газотурбинным.

На входе имеется газ, который расширяется и подается на лопатки газовой турбины. Генератор, прикрепленный к ее валу, начинает вырабатывать электрический ток.

Неиспользованный для этого процесса горячий воздух попадает в котел-утилизатор паросиловой установки, нагревая воду до образования пара.

Горячий пар подается на вторую турбину – паровую. Она приводит в действие второй электрогенератор.

Повышение КПД до 60 процентов
Низкая стоимость единицы получаемой энергии
Короткие сроки монтажа (до года)
Повышение экологичности и компактности по сравнению с паровыми турбинами
Возможность перестройки с паросиловой установки

Газовые и паровые турбины являются важными элементами производства энергии. Они представляют собой силовые двигатели, преобразующие кинетическую энергию движущихся тел в механическую работу посредством вращения лопастного ротора.

Газовая турбина: плюсы и минусы

Рис. 1. Газовая турбина

Компонентами газовой турбины являются:

Компрессор – сжимает входящий воздух и под давлением подает в камеру сгорания.
Камера сгорания – здесь газ или топливная жидкость воспламеняется, образуя расширяющийся газовый поток высокой температуры.
Лопаточный ротор – преобразует расширяющийся газ в механическую энергию за счет вращения лопастей, которые приводят в действие генератор электрической энергии.

Преимущества газовой турбины:

Простое устройство и меньший вес по сравнению с паровой турбиной
Небольшой расход воды и масла
Быстро вводится в работу
Работает на топливе любого качества и в любых условиях
Вырабатывает меньше вредных веществ
В конструкцию входит минимальное число трущихся деталей, поэтому турбина имеет долгий срок службы, и при ее работе создаётся меньшее число вибраций
Высокая энергоэффективность, благодаря чему затраты на покупку турбины быстро окупаются

Высокий уровень шума
Ограниченная мощность
Большая часть мощности уходит на работу компрессора
Начальная температура при работе турбины должна быть около 500 °С

Основные преимущества и недостатки паровой турбины

Рис. 2. Паровая турбина

Паровая турбина преобразует энергию пара в механическую работу. Ее компонентами являются:

Лопатки турбины – пар воздействует на лопасти, закрепленные по окружности ротора параллельно оси вращения, приводя ротор в действие.
Ротор – рабочий подвижный элемент с установленными лопастями передает энергию пара на вал.
Статор – неподвижная часть с соплами для подачи под давлением нагретого до высокой температуры пара, направленного вдоль роторного вала или перпендикулярно ему.
Вал – преобразует пар в механическую работу и обеспечивает необходимую герметизацию.

Плюсы паровой турбины:

Работает на всевозможных видах топлива: газ, уголь, отработанный пар промышленных процессов, возобновляемые источники энергии и т.д.
Высокий КПД
Длительный срок службы
Широкий диапазон мощностей

Процесс ввода турбины в работу занимает несколько суток
Сложная технология сервисного обслуживания и ремонта
Высокая стоимость
Образует большое количество вредных выбросов
В электроэнергию преобразуется меньшая часть тепловой энергии, образовавшейся от сгорания топлива

Обслуживание газовых и паровых турбин

Рис. 3. Обслуживание турбины

Элементы турбин функционируют в условиях колоссальных нагрузок, агрессивной среды и высокой температуры, что приводит к их повреждениям.

Детали изготавливаются из высококачественных материалов и проходят термическую обработку, но этого не всегда бывает достаточно. Инновационной разработкой для защиты элементов, функционирующих в экстремальных условиях, являются антифрикционные твердосмазочные покрытия.

Материалы MODENGY 1001, MODENGY 1002, MODENGY 1005, MODENGY 1007, MODENGY 1014 от российской компании "Моденжи" увеличивают ресурс деталей турбин (клапанов стравливания давления, подшипников скольжения, прессовых посадок, ходовых винтов, крепежа, конденсатоотводчиков), снижают трение и износ, защищают их от перегревов и других неблагоприятных факторов, а также обеспечивает легкую сборку и демонтаж при обслуживании или ремонте.

Рис. 4. Лопатки турбин до и после нанесения покрытия MODENGY 1001 на хвостовики

Двигатель турбины необходимо периодически прослушивать и проверять, чем и занимается специальный обслуживающий персонал. Специалисты внимательно следят за показателями соответствия функциональным требованиям и определяют степень загрязненности внутренних полостей турбины, работоспособность теплообменников, компрессора.

При малейших неисправностях производится ремонт установки, пренебрегать которым нельзя ни в коем случае, поскольку халатное отношение может привести к плачевным последствиям.

Читайте также: