Парова́я турби́на — турбина , в которой в качестве рабочего тела используется водяной пар , получаемый при нагреве воды в паровых котлах .

Паровая турбина является одним из элементов паротурбинной установки (ПТУ).

Паровая турбина и электрогенератор составляют турбоагрегат .

История

В 1883 году шведский инженер Густаф де Лаваль создал паровую турбину, которая представляла собой легкое колесо с лопатками. В 1889 году Лаваль усовершенствовал свою конструкцию, применив сопло, которое сужалось на выходе, что увеличивало скорость пара и, соответственно, скорость вращения ротора ( сопло Лаваля ). Турбину Лаваля было целесообразно использовать для машин, имеющих высокую скорость (сепараторы, пилы, центробежные насосы).

В 1884 году английский изобретатель Чарлз Алджернон Парсонс запатентовал многоступенчатую реактивную турбину , в которой при меньшей скорости вращения энергия пара использовалась максимально благодаря тому, что пар, проходя через 15 ступеней, расширялся постепенно. В 1894 году турбина Парсонса была установлена на быстроходное судно « Турбиния ». Вскоре паровые турбины начали массово использовать на быстроходных судах. В 1899 году появилась первая электростанция, на которой были установлены турбины Парсонса. Затем французский инженер _en создал комплексную теорию турбомашин .

Основные конструкции паровых турбин

Паровая турбина состоит из двух основных частей. Ротор с лопатками — подвижная часть турбины. Статор с соплами — неподвижная часть.

По направлению движения потока пара различают паровые турбины, у которых поток пара движется вдоль оси турбины, и , направление потока пара в которых , а рабочие лопатки расположены оси вращения.

По числу цилиндров турбины подразделяют на одноцилиндровые и двух—трёх-, четырёх-пятицилиндровые. Многоцилиндровая турбина позволяет использовать бо́льшие располагаемые энтальпии , разместив большое число ступеней давления, применить высококачественные материалы в частях высокого давления и раздвоение потока пара в частях среднего и низкого давления. Такая турбина получается более дорогой, тяжёлой и сложной. Поэтому многокорпусные турбины используются в мощных паротурбинных установках.

По числу валов различают одновальные, двувальные, реже трёхвальные, связанных общностью теплового процесса или общей зубчатой передачей (редуктором). Расположение валов может быть как соосным, так и параллельным — с независимым расположением осей валов.

• Неподвижную часть — корпус (статор) — выполняют разъёмной в горизонтальной плоскости для возможности выемки или монтажа ротора. В корпусе имеются выточки для установки диафрагм , разъём которых совпадает с плоскостью разъёма корпуса турбины. По периферии диафрагм размещены сопловые каналы (решётки), образованные криволинейными лопатками, залитыми в тело диафрагм или приваренными к нему.

• В местах прохода вала сквозь стенки корпуса установлены для предупреждения утечек пара наружу (со стороны высокого давления) и засасывания воздуха в корпус (со стороны низкого). Уплотнения устанавливают в местах прохода ротора сквозь диафрагмы во избежание перетечек пара из ступени в ступень в обход сопел.

На переднем конце вала устанавливается предельный регулятор (регулятор безопасности), автоматически останавливающий турбину при увеличении частоты вращения на 10—12 % сверх номинальной.

Процесс расширения пара в паровой турбине

P1 h1 s1 — давление, энтальпия и энтропия пара на входе в турбину ;

P2 h2 s2 — давление, энтальпия и энтропия отработанного пара на выходе из турбины ;

1 — расширение пара в турбине ;

2 — насыщенный пар ;

3 — вода в состоянии насыщения ( кипения );

4 — изотерма начальной температуры ;

5 — изотерма конечной температуры ;

6 — изобара начального давления ;

7 — изобара конечного давления ;

8 — критическая точка

(в критической точке происходит превращение всего объёма воды в пар (исчезает различие между жидкой и газообразной фазами воды).) ;

9 — кривая постоянной влажности пара .

Классификация паровых турбин

В зависимости от характера теплового процесса паровые турбины подразделяются на 3 основные группы:

• конденсационные — без регулируемых (с поддержанием давления) отборов пара;
• теплофикационные — с регулируемыми отборами;
• турбины специального назначения.

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 (отсюда возникло наименование), в котором поддерживается вакуум . 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 пропорциональна частоте электрического тока 50 Герц ( синхронная машина ). То есть на двухполюсных генераторах 3000 оборотов в минуту, на четырёхполюсных соответственно 1500 оборотов в минуту. Частота электрического тока является одним из главных показателей качества отпускаемой электрической энергии . Современные технологии позволяют поддерживать частоту сети с точностью до 0,2 % (ГОСТ 13109-97). Резкое падение электрической частоты влечёт за собой отключение от сети и аварийную остановку 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. Паровые турбины для электростанций имеют парковый ресурс в 270 тыс. ч. с межремонтным периодом 4-5 лет.

Транспортные паровые турбины используются в качестве главных и вспомогательных двигателей на кораблях и судах. Неоднократно делались попытки применить паровые турбины на локомотивах , однако паротурбовозы распространения не получили. Для соединения быстроходных турбин с гребными винтами , требующими небольшой (от 100 до 500 об/мин) частоты вращения, применяют зубчатые редукторы . В отличие от стационарных турбин (кроме турбовоздуходувок), судовые работают с переменной частотой вращения, определяемой необходимой скоростью хода судна.

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 (мятый) 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) . Бо́льшая часть полученной энергии используется для генерации электрического тока.

Теплофикационные паровые турбины

Теплофикационные паровые турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. Тепловые электростанции, на которых установлены теплофикационные паровые турбины, называются теплоэлектроцентралями ( ТЭЦ ). К теплофикационным паровым турбинам относятся турбины с:

• противодавлением;
• регулируемым отбором пара;
• отбором и противодавлением.

У турбин с противодавлением весь отработанный 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 одной или двух промежуточных ступеней, а остальной пар идёт в конденсатор. Давление отбираемого пара поддерживается в заданных пределах системой регулирования (в советских турбинах для поддержания заданного давления чаще всего используется регулирующая диафрагма за камерой отбора — ряд направляющих лопаток, разрезанных по перпендикулярной оси турбины плоскости; одна половина лопаток поворачивается относительно другой, изменяя площадь сопел). Место отбора ( ) выбирают в зависимости от нужных параметров пара.

У турбин с отбором и противодавлением часть пара отводится из одной или двух 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) . Бо́льшая часть тепла, полученного в котле используется для подогрева сетевой воды.

Паровые турбины специального назначения

Паровые турбины специального назначения обычно работают на отбросном 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 мятого пара применяются на тендерах-конденсаторах для привода вентиляторов .

• 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 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.

Часто стационарные паровые турбины имеют регулируемые или нерегулируемые отборы пара из ступеней давления для регенеративного подогрева .

Паровые турбины специального назначения не строят сериями, как конденсационные и теплофикационные, а в большинстве случаев изготовляют по отдельным заказам.

Малые паровые турбины

В электроэнергетике под малыми генерирующими установками понимаются агрегаты мощностью менее 10 МВт. В настоящее время, в России, как и в других странах с рыночной экономикой, весьма остро стоит вопрос об электроснабжении предприятий и населенных пунктов в отдаленных территориях, где нет централизованного электроснабжения. Ибо прежние схемы с дизель-генерацией становятся крайне дорогими по мере роста цены на диз-толиво. Так же подчас остро стоит вопрос подключения к электроснабжению новых малых и средних предприятий, когда для них нет резервов электрических мощностей. В этом случае всегда определяется — что дешевле: строить новые сети до магистральных ЛЭП и подключаться к ним по тарифам местных энергетиков и далее получать энергию по их расценкам, или построить свою автономную малую электростанцию и быть полностью энергонезависимым. В этом случае малые паросиловые установки на дешёвом твердом топливе всегда могут давать электроэнергию дешевле, чем энергетики предлагают получать из сети.

Но на таком пути автономного энергоснабжения всегда стоит вопрос о стоимости малой паросиловой установки. При уменьшении габаритных размеров паро-силовой установки с турбиной её термодинамический КПД падает, а цена на 1 квт агрегатной мощности — растет. Так цена на паросиловые установки с паровыми турбинами на ORC цикле итальянского производителя « TURBODEN» составляет около 3 тыс. евро за 1 квт установленной мощности. И КПД такой дорогой установки по электричеству весьма невелик- всего 18 %.

Попытки делать стандартные малые паросиловые установки с турбинами на водяном паре всегда упирались в мизерный КПД таких установок. Например- в книге Ф.Бойко «Паровозы промышленного транспорта» указано- что в середине 50-х годов турбогенаратор паровоза мощностью 1 квт расходовал на 1 квт-час мощности 100 кг пара (КПД- 1 %%), а в книге П.Черняев «Судовые силовые установки и их эксплуатация» (учебник для вузов) — указано, что в середине 70-х годов главные паросиловые установки с турбинами достигли КПД в 35 %, а вот малые судовые паросиловые агрегаты мощностью 15 — 50 квт (для привода вспомогательных судовых механизмов) расходовали до 30 кг пара в час на 1 квт мощности, что в 5 раз хуже, чем главная машина. Трудность достижения малыми турбинами высоких значений КПД, которые характерны для больших турбин, заключается в изменении соотношения скоростей истекающего из сопел пара и окружных скорости движения лопаток турбин, по мере уменьшения диаметров роторов малых турбин. Именно поэтому малые паровые турбины крайне редко применяются в автономной, распределенной электрогенерации.

Характеристика основных параметров номинальных значений

• Номинальная мощность турбины — наибольшая мощность, которую турбина должна длительно развивать на зажимах электрогенератора, при нормальных величинах основных параметров или при изменении их в пределах, оговоренных отраслевыми и государственными стандартами. Турбина с регулируемым отбором пара может развивать мощность выше номинальной, если это соответствует условиям прочности её деталей.
• Экономическая мощность турбины — мощность, при которой турбина работает с наибольшей экономичностью. В зависимости от параметров свежего пара и назначения турбины номинальная мощность может быть равна экономической или больше её на 10-25 %.
• Номинальная температура регенеративного подогрева питательной воды — температура питательной воды за последним по ходу воды подогревателем.
• Номинальная температура охлаждающей воды — температура охлаждающей воды при входе в конденсатор.

Ссылки

• У. Гаррет Скейф. от 5 марта 2016 на Wayback Machine
• от 8 марта 2011 на Wayback Machine
• от 2 марта 2022 на Wayback Machine

См. также

• Турбина
• Газотурбинный двигатель
• Двигатель
• Паровая машина
• ГТ-МГР
• Распределённая энергетика
• Паротурбинная установка
• Цикл Ренкина

Примечания

Литература

• И. Н. Нигматулин, П. Н. Шляхин, В. А. Ценёв. / И. Н. Нигматулин. — Москва: «Высшая школа», 1974. — С. 7-153. — 375 с.
• . — Москва: ИПК Издательство стандартов, 1979. — 10 с.
• . — Москва: ИПК Издательство стандартов, 1981. — 5 с.
• . — Москва: Стандартинформ, 2017. — 15 с.