В чем сходство работы паровой турбины и гидротурбины кратко

Обновлено: 04.07.2024

Ответ:В паровой и гидротурбинах происходит преобразование внутренней энергии газообразных веществ во вращательное движение вала.

Отличие состоит в отсутствии топки и водогрейного котла,

Ответ: сходство в том,что обе используют воду для своей функциональности

Объяснение:гидро использует воду,а паровая использует воду, с которой делает пар,на основе которого и осуществляется ее функция

Любой объект (изделие, машина или система) обладает характерными свойствами. Некоторые из этих свойств полезны, но другие бывают более или менее нежелательными. Наиболее важное свойство из всех - ϶ᴛᴏ основная функция изделия, потому что она помогает потребителю в удовлетворении его нужд. Другими желательными свойствами бывают приятный внешний вид, легкость перемещения, безопасность, долговечность и надежность. Прежде чем приступить к конструированию, конструктор должен , должна быть в сотрудничестве с потребителем, составить перечень желаемых свойств изделия. В процессе конструирования, когда изделие создается, именно эти свойства определяют выбор принимаемых конструктивных решений.

К сожалению, нельзя конструировать изделия таким путем, чтобы желаемые свойства определялись одно за другим, так как эти свойства являются независимыми переменными. При этом принято считать, что среди всех можно выделить пять базовых свойств, которые в сумме полностью определяют изделие. В целом таким свойством для изделия является структура (ᴛ.ᴇ. элементы изделия и их взаимосвязь), а для каждого элемента – форма, материал, размеры, поверхность. Важно подчеркнуть, что эти свойства являются переменными, которыми конструктор может манипулировать, а изделие создается последовательными решениями вопросов, связанных с этими переменными. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, все другие свойства, как полезные, так и нежелательные, выводятся из этих базовых свойств. При этом, поскольку эта цель не всегда достигается, крайне важно различать желаемые свойства и фактически полученные свойства, приходя, таким образом к следующей модели процесса конструирования

Мен кұстардан қарлығашты білемін
Кұстардың табиғатқа деген пайдасы көп
Адамбар кустарды тамақ ретинде пайдаланады
Маған карлығаш ұнайды

А) лисички---съедобные грибы---грибы
б)кот---домашнее животное---животное
в)письменный стол---стол---мебель
г)астра---цветок---растение
д)смолянин---Житель России--- европеец
е)земляника---ягода---лесная ягода
ж)панамка---летний головной убор---головной убор
з)город---столица---Москва
и)теплоход---транспорт---водный транспорт

Помогите по немецкому , вместо точек вставьте нужное слово . faellt mir schwer Russisch. . fallenmir leicht.

Турбины является вращающимся устройством , которое частично преобразует внутреннюю энергию в виде жидкости , жидкости (например , воды ) или газообразной ( пара , воздуха , сгорания газа ), в механическую энергию посредством лопаток , расположенных на вращающемся валу. Высокой скорости .

Энергия, поступающая в жидкость, характеризуется, в частности, ее скоростью , давлением и энтальпией . Механическая энергия, выходящая из турбины, приводит в действие другой вращающийся механизм, такой как генератор переменного тока , компрессор , насос или любой другой приемник (например, генератор ). В этом случае узел соответственно называется турбогенератором , турбонагнетателем , турбонасосом и т. Д.

Резюме

Паровая турбина

Общие принципы работы

Чтобы улучшить его, добавьте проверяемые ссылки [ как это сделать? ] или шаблон > для отрывков, требующих источника.

Паровая турбина является двигатель внешнего сгорания , работающим в соответствии с термодинамическим циклом , известным , как Клаузиус - Ренкин . Этот цикл отличается изменением состояния моторной жидкости, которая обычно представляет собой водяной пар .

Этот цикл включает как минимум следующие этапы:

Вода нагнетается насосом для подачи в котел ;
Вода нагревается , испаряется и перегревается ;

Как только этот пар будет использован, он выполняет следующие шаги:

Пар расширяется, обеспечивая кинетическую энергию, которую турбина преобразует в механическую энергию ;
Расширенный пар конденсируется при контакте с источником холода в условиях частичного вакуума[см. необходимо] .

Используемая жидкость такая же, как и в паровом двигателе с поршнями , но турбина является оператором эволюции основных преимуществ турбомашин, включая:

Плотность мощности и плотности мощности высокой;
Повышение эффективности за счет увеличения числа стадий расширения.

Практическая реализация

Турбина состоит из ротора, содержащего вал, на котором закреплены лопатки , и статора, состоящего из корпуса, несущего неподвижные дефлекторы, обычно состоящие из двух частей, собранных в осевой плоскости. Он также содержит сегментированный входной тороид и выпускной патрубок, направленный в сторону конденсатора. Функция неподвижных дефлекторов заключается в обеспечении полного или частичного расширения за счет формирования сети сопел и изменения направления потока, покидающего предыдущую ступень.

Паровая турбина имеет одну или несколько ступеней, каждая из которых выполняет две функции:

Расширение пара, которое соответствует преобразованию энергии потенциального давления в кинетическую энергию,
Преобразование кинетической энергии в крутящий момент машины посредством движущихся лопастей.

Паровые турбины делятся на две большие категории, которые часто объединяются в одной машине:

Турбины действия, в которых расширение осуществляется только в неподвижных лопатках. Они хорошо подходят для ступеней высокого давления и лучше подходят для регулирования расхода. Их конструкция более дорогая и позволяет использовать их только для первых ступеней турбины.
Реакционные турбины, в которых расширение распределяется между неподвижными и подвижными лопатками . Степень реакции определяется распределением релаксации между лопастями. Они больше подходят для ступеней низкого давления и их стоимость ниже. Когда степень реакции ступени составляет 50%, форма неподвижных и подвижных лопастей одинакова, что уменьшает количество форм, необходимых для производства. С другой стороны, для достижения такого же расширения реакционной турбине потребуется больше ступеней, что увеличивает длину валопровода.

Производство турбин требует использования высоколегированных сталей (Cr-Ni-V), чтобы выдерживать термические, механические (центробежная сила) и химические ( паровая коррозия ) нагрузки , см. Использование суперсплавов на основе Ni. Первые два ограничения ограничивают диаметр и, следовательно, допустимый расход на последних ступенях. Таким образом, лезвия длиной более одного метра уже создают серьезные производственные проблемы. Кроме того, радиальная неоднородность скоростей приводит к изменению угла наклона лопатки, которая затем принимает левую форму, механическая обработка которой является сложной, а механические напряжения ограничивают ее хорошее поведение.

В результате турбины большой мощности обычно включают на одной оси (тандемное соединение):

Турбина высокого давления,
Несколько (2 или 3) турбин низкого давления с отводами.

Таким образом, можно достичь мощности более 1000 МВт с КПД цикла, немного превышающим 40%.

На другом конце спектра самые маленькие турбины имеют мощность в несколько десятков киловатт. Обычно они состоят из одной ступени и используются для привода машин в промышленности или на кораблях. Между этими двумя существует целый ряд турбин, более или менее сложных и адаптированных для конкретных промышленных применений (с отводом, против давления и т. Д.).

Но есть также много небольших турбин, установленных на турбонагнетатели транспортных средств. Самыми маленькими турбинами, безусловно, являются стоматологические турбины .

Преимущества и недостатки

Основное преимущество паровых турбин в том, что они представляют собой двигатель внешнего сгорания . В результате все виды топлива (газ, мазут, уголь, отходы, остаточное тепло) и, в частности, самое дешевое можно использовать для снабжения его паром. Отопление может осуществляться даже за счет солнечной энергии . Урожайность может достигать довольно высоких значений, что приводит к снижению эксплуатационных расходов.

С другой стороны, стоимость и сложность установок чаще всего резервируют их для установок большой мощности, чтобы получить выгоду от экономии на масштабе. За исключением особых случаев, газовые турбины и двигатели лучше подходят мощностью менее 10 МВт .

Для охлаждения конденсатора также требуется большой поток воды или громоздкие воздухоохладители , что сразу же ограничивает область их использования стационарными или военно-морскими установками.

В странах Северной Европы, а также в некоторых крупных городах Франции (Париж, Лион, Нант и т. Д.) Остаточное тепло регулярно используется для строительства тепловых сетей (см. Когенерация ). По трубам передается вода, нагретая от 80 до 90 ° C, в муниципалитетах рядом с электростанцией, и частные лица или компании могут подключаться к этой сети для обогрева зданий.

Урожай

Выход увеличивается с давлением паров и температуры от перегрева . Однако увеличение этих характеристик ограничивается жидким содержанием пара в конце расширения. Действительно, кривая расширения может достигать кривой насыщения с образованием капель, которые отрицательно сказываются на эффективности последних стадий расширения, но также и на его механической прочности. Содержание жидкой воды в смеси должно быть ограничено 15 или 30% [см. необходимо] . В конечном итоге именно давление в конденсаторе устанавливает допустимые предельные значения давления и температуры.

Как и любой другой термодинамический цикл, цикл Ренкина, реализуемый паровыми турбинами, уступает циклу Карно , и поэтому были разработаны улучшения, направленные на него. Таким образом, повторное нагревание воды, между конденсатором и котлом, паром , отводимой на разных ступенях турбины, позволяет сделать изобарической стадии нагрева , как правило , в направлении преобразования , которая является термодинамически эквивалентно к изотермическим . Эффективность устройства, но также и его стоимость возрастают с увеличением количества ступеней вывода и связанных обменников; поэтому количество этажей редко превышает семь единиц. Повышение эффективности составляет порядка 5% [см. необходимо] . Это устройство также требует установки на котел воздухонагревателя.

С другой стороны, чтобы позволить повысить давление и температуру, несмотря на проблему влажности в конце расширения, можно вернуть расширенный пар до давления насыщенного пара по направлению к котлу для продолжения повторного нагрева. перегрев в дополнительном теплообменнике . Эти шаги можно умножить, чтобы фаза перегрева имела тенденцию к изотерме и, следовательно, приближалась к циклу Карно. На практике установки обычно включают однократный перегрев. Прирост эффективности может достигать 5% [исх. необходимо] .

Электроэнергетика

Паровые турбины благодаря своим характеристикам широко используются на тепловых электростанциях средней и большой мощности , в том числе атомных . В диапазоне мощностей от 1 до 10 МВт они используются в когенерационных установках (мусоросжигательные заводы и централизованное теплоснабжение, промышленные процессы). Мы также должны указать на их использование в комбинированных циклах, где они позволяют использовать тепло выхлопных газов газовых турбин для производства электроэнергии .

Паровые турбины также используются в морской силовой установке , особенно для более крупных судов (нефтяных танкеров, авианосцев и атомных подводных лодок), но их все чаще заменяют дизельные двигатели или газовые турбины. Функция привода машин также исчезает в пользу электродвигателей.

На сегодняшний день они не нашли применения в автомобильных или железнодорожных двигателях, за исключением нескольких неудачных попыток.

Специфика ядерных циклов

Повышение производительности лежит в основе размышлений о конструкции реакторов 4- го поколения . Это также привело к строительству других типов реакторов, помимо PWR, на заре ядерной энергетики ( UNGG , CANDU и т. Д. ), В частности, с другими теплоносителями . Однако безопасность и надежность PWR в настоящее время делают их очень важными.

Газовая турбина внутреннего сгорания

Газовая турбина , также называемая турбиной внутреннего сгорания , представляет собой термодинамическую вращающуюся машину, принадлежащую к семейству двигателей внутреннего сгорания , роль которых заключается в выработке механической энергии за счет вращения вала, снабженного ребрами , которые приводятся в движение благодаря кинетическому механизму. энергия, генерируемая движением газа, связана с быстрым сгоранием его составляющих.

Аэронавтика

Турбины - фундаментальная часть авиации:

Связанный с одним или более компрессорами и с внутренней камерой сгорания , он образует основание турбореактивного двигателя , где движущая сила передается потоком газа , который проходит через реактор , и выбрасывается в сопле ,
Связанный с компрессором, но связанный с воздушным винтом через редуктор, он является приводным элементом турбовинтового двигателя ,
Используемый в качестве генератора движущей силы в виде газотурбинного двигателя, он приводит в движение вертолет или обеспечивает электроэнергией на борту авиалайнера. Вертолет , то Джинн , используется воздух , сжатый с помощью турбины непосредственно для приведения в движение его ротора, вместо того , чтобы прибегать к механическому преобразованию.

Гидравлическая турбина

Эта турбина, изобретенная Бенуа Фурнейроном , приводится в движение потоком воды. При установке ниже плотины гидроэлектростанции он приводит в действие генератор, вырабатывающий электричество . Он может в основном использовать давление воды ( турбина Фрэнсиса ), скорость воды ( турбина Пелтона ) или даже большой поток (тип баллонной группы или турбина Каплана ). Эти турбины используются в зависимости от высоты падения плотины.

Гидравлические турбины в основном отличаются от водяных мельниц полным и постоянным погружением в ток, что значительно увеличивает их эффективность.

Снижение или устранение негативного воздействия на окружающую среду

Воздушная турбина

Воздушная турбина - это система плавников, в которую сжатый воздух приходит, чтобы расслабиться и набрать скорость. Энергия, вырабатываемая этой турбиной, связана с уравнением:

Этот тип турбины используется, среди прочего, в таких инструментах, как отвертки или дрели для сжатого воздуха.

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

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.

Турбинная революция

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.

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%.

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

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.

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.

Читайте также: