Паровая турбина: история развития, принцип действия и КПД

Паровая турбина является одним из видов паровой машины, в которой тепловая энергия преобразуется в механическую. Конструкция ее отличается от традиционной машины, поскольку в ней нет поршневого штока, маховика и золотниковых клапанов. Принцип действия паровой турбины основан на движении рабочего вала, которое происходит за счет вращения лопастей. На вал насажен электрогенератор, преобразующий механическую энергию вала в электрическую.

Оглавление:

• История паровой турбины
• Принцип действия
• Эффективность работы турбоагрегатов
• Интересные факты

История паровой турбины

Считается, что впервые примитивную турбину, работающую на пару, изобрел греческий математик и механик Герон Александрийский около 120 г. до н. э., хотя это была турбина несколько иного типа — поршневого, использовавшего принцип внутреннего сгорания. Картинку со строением такого устройства можно найти в интернете. Более традиционные турбоагрегаты были изготовлены шведом Карлом Густавом Патриком де Лавалем в 1883 г. и англичанином Чарльзом Парсонсом в 1884 г.

Англичанин Парсонс оформил патент на многоступенчатый реактивный турбоагрегат. Машина стала первой успешно использованной в промышленном производстве. В 1889 г. в мире уже насчитывалось 300 турбин, которые способны были вращать генераторы для выработки электрической энергии. В 1899 г. была запущена первая электростанция с турбоагрегатами Парсонса. В 1894 г. впервые был построен пароход «Turbinia», имеющий аналогичный турбинный привод. Со временем турбина Парсонса была заменена модификацией с определением — активно-реактивные.

В Советском Союзе первый турбоагрегат 2 МВт произвели в 1924 г. в Ленинграде с исходными характеристиками пара — 1.1 МПа /300 С. Через 2 года в эксплуатацию запущена турбина 10 МВт 3000 об./мин., а в 1930 г.— агрегат 24 МВт, в котором может использоваться пар — 2.55 /375 С, спустя год — 50 МВт/1500 об./мин.

Одновременно в стране вводятся новые мощности по выпуску паровых турбоагрегатов:

1. В 1934 г., Харьковский ХТГЗ, для производства турбоагрегатов до 100 МВт, с давлением перегретого 2.85 МПа и температурой 400 С.
2. В 1940 г. на Свердловском УТМЗ был освоено производство теплофикационных агрегатов до 250 МВт.

На Зуевской ГРЭС начали использовать тихоходный агрегат ХТГЗ АК-100−29. За тридцать лет мощность турбинных агрегатов выросла до 1200 МВт с параметрами перегретого пара 23.5 МПа/540 С. Одновальная турбина Ленинградского металлического завода К-1200−240, имеющая мощность 1200 МВт, стала самой мощной в мире. И даже сегодня в мире неспособны устроить эффективные схемы генерации, работающие на более высоких параметрах.

Сегодня в г. Екатеринбурге выпускаются такие турбины для комплектации электрических станций, которые могут состоять из агрегатов малой и средней мощности с высоким КПД, под брендом «PARSONS». В 2011 г. Ленинградский металлургический завод реорганизовался в ПК ЛМЗ компании «Силовые машины».

За всю свою историю компанией выпущено свыше 2300 паровых турбин, которые работают в:

• СНГ и ЕС.
• Индии.
• Социалистической Республике Вьетнам.
• Китайской Народной Республике.
• странах Африки, Латинской Америки и Карибского бассейна.

Сегодня ПК ЛМЗ выпускает паровые турбины разных мощностей до 1200 МВт.

Принцип действия

Принцип функционирования турбины с использованием пара сравнительно простой, а её конструкция практически не трансформировалась уже более ста лет. Чтобы уяснить ее принцип работы, нужно рассмотреть работу тепловой электростанции в целом. ТЭС — это производственная структура, где в тепловой схеме разнообразное жидкое, твердое и газообразное топливо преобразуется в электроэнергию.

Сам собой турбоагрегат работать не может, для этого ему нужен перегретый пар с высокими технологическими параметрами. Он вырабатывается на мощных энергетических паровых котлах, которые сжигают топливо для нагрева воды до парового состояния.

Турбина конструкционно выполнена из вала или ротора с радиально размещенными лопатками, похожими на те, что размещены у большого вентиляторного агрегата. За отдельным диском находится статор с лопатками иной конфигурации, только закрепленный неподвижно не на валу, а на корпусе, поэтому получил свое название.

Пару из диска и статора именуют ступенью. В одном агрегате — десятки таких ступеней, иначе турбинный вал конструкции с весом свыше 100 т невозможно раскрутить. По этой причине ступени в последовательном порядке группируют, чтобы максимально отобрать потенциальную энергию парового энергоносителя.

В агрегат поступает паровое вещество различных технологических параметров. Они классифицируются по давлению перегретого пара от низкого — 1.20 МПа до сверхкритического — более 22.0 МПа.

Перегретый пар при более высоком давлении соответствует более высокой температуре. Современные турбоагрегаты работают с температурой перегретого пара до 560 C. При движении внутри турбины пар расширяется, при этом падает его температура. Для того чтобы пройти весь цикл полностью, должен существовать запас по давлению.

Первоначально пар попадает в цилиндр с высоким давлением, разгоняет турбину с потерей температуры и направляется в ступень среднего давления, а затем — низкого. В каждой степени для того, чтобы отобрать максимально энергию пара, лопатки выполняются разными по форме.

Охлаждение перегретого пара в ступенях турбоагрегата происходит до состояния насыщения, при котором резко падает эффективность работы агрегата. Поэтому после цилиндра высокого давления, перед тем как поступить в цилиндр низкого давления, насыщенный пар направляется обратно в котлоагрегат, где нагревается до состояния перегретого пара при рабочем давлении в котле. Такой процесс имеет название — промежуточный перегрев пара, или промперегрев.

Цилиндр высокого давления в конструкции один, а вот низкого и среднего — несколько. Подача пара на них осуществляется сбоку цилиндра, при этом паровая среда омывает лопатки последовательно. Существуют конструкции с подачей пара по центру, тогда пар продвигается от центра к краю лопаток.

Этот вариант более предпочтительный, поскольку нагрузка на вал уменьшается. На вал турбоагрегата насажен электрический генератор, который при движении вырабатывает электрический ток частотой 50 Гц. Для этого скорость вращения вала агрегата должна частить с параметрами 1500/3000 об./мин.

Для обеспечения большей выработки электроэнергии генератору потребуется значительный расход пара. За изменением нагрузки и управлением необходимым расходом пара следят специальные регуляторы частоты, обеспечивая тем самым безопасную работу энергетического оборудования.

В противном случае при падении электронагрузки в сети, если объем поступающего пара не уменьшится, турбоагрегат наберет критическую скорость, центробежные силы разрушат не только корпус агрегата, лопатки турбины, но способны даже разнести кровлю ЭС и разлететься на расстояние десятков километров по всей округе.

Применение паровых турбоагрегатов на протяжении больше ста лет продемонстрировало огромные достоинства, позволившие использовать их в качестве основных генерирующих устройств. Тем не менее, как и все современное энергетическое оборудование, они имеют свои отрицательные черты, а основный недостаток — низкий КПД.

Эффективность работы турбоагрегатов

С точки зрения эффективности работы паровых турбоагрегатов существует закономерность, что при увеличении внешних размеров растут номинальная мощность и КПД. Поэтому экономически значительно выгодней размещать ряд турбин на одну мощную ЭС, вырабатывающую электричество с высокими параметрами тока, которую транспортируют по магистральным линиями электропередач на большие расстояния, чем сооружать малые электростанции с низкопроизводительными турбинами.

В этом случае доля на оборудование в себестоимости единицы выработки электроэнергии возрастает в несколько раз, при этом падает общий КПД станции в два, а иногда и в три раза. Тем более, что он и так является очень низким и далек от энергетического совершенства. Максимальный электрический КПД конденсационных турбин, имеющих промперегрев, который может обеспечить современные условия генерации, не превышает 40%, а КПД ТЭС — не более 45%.

Сравнение эффективности работы разнообразных источников энергии:

• Турбина с промперегревом — 40%.
• Газовая турбина — 35%.
• Паровой двигатель — 8%.
• Ветростанция — 40%.
• Солнечный коллектор — 25%.
• Водородный топливный элемент — 60%.
• ТЭС — 45%.
• АЭС — 40%.
• ГЭС — 90%.

Но даже если сравнивать эффективность работы турбины, функционирующей на пару высокого давления, с современными источниками в условиях генерации электрической энергии, то сегодня она имеет равный коэффициент полезного действия с АЭС и превышает по КПД газовую турбину. Тем не менее самым эффективным видом электрогенерации являются ГЭС.

Интересные факты

Согласно сообщению из Википедии, наиболее мощные конденсационные турбоагрегаты в мире по 1900 МВт установлены на атомных электрических станциях: Siemens SST5−9000 в Германии и ARABELLE в США.

Самую малогабаритную турбину недавно выпустили в Уральском университете — ПТМ-30. Согласно докладу и реферату физиков, мини-турбоагрегат с рабочими параметрами 30 кВт и диаметром 50 см. Он может применяться для небольшой выработки электричества на утилизированном паровом энергоносителе, высвобожденном в процессе производств, тем самым сокращая тепловые выбросы в окружающую среду.

Наиболее неудачным использованием паровой турбины считаются паротурбовозы — паровозные электролокомотивы. В них пар из котлоагрегата первоначально направлялся в турбину, которая запускала электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию, которую использовали для движения локомотива, работающего на электрических двигателях.

Теоретически такая схема должна была обеспечить значительно больший КПД, чем традиционный паровоз. Тем не менее на практике оказалось, что схема эффективна при работе паротурбовоза на скоростях свыше 65 км/ч. При меньших скоростях такая турбина использует значительный объем пара и, соответственно, топлива на собственные нужды.

Таким образом, современные паровые турбины сегодня установлены на всех ТЭС, ГРЭС, ТЭЦ и АЭС, поскольку располагают преимуществами перед другими видами генерации электрической энергии. Принцип работы паровой турбины, применение современных технологий гарантируют высокую мощность и предельный КПД агрегата, способного перерабатывать разные виды топлива: твердое, жидкое, газообразное и урановое для выработки перегретого пара. А также обладают сравнительно небольшими габаритами и высокой надежностью в процессе эксплуатации.