Паровая турбина — это машина, предназначенная для преобразования тепловой энергии пара в механическую энергию вращения.
В , как следует из названия, работу совершает нагретый пар. Пар в турбину поступает из или котла-утилизатора. Температура, с которой приходит в турбину пар, может быть разной. Но в основном, температура пара в районе 500-570 градусов Цельсия. Давление, также, разнообразное. Самое распространённое, это — 90 ата, 130 ата и 240 ата.
По типу паровые турбины делятся на: конденсационные, теплофикационные, теплофикационные с отбором пара на производство, противодавленческие.
В общем можно сказать, что тип турбины зависит от того, сколько и полностью ли пар совершает работу в турбине и куда он ещё идёт «на сторону».
Конденсационные турбины
Вероятно, этот тип турбин самый распространённый (маркировка — К). В комплекте с самой такой турбинной обязательно есть ещё устройство для сбора отработавшего пара — конденсатор. Весь отработавший пар в такой турбине поступает в конденсатор.
Конденсационные паровые турбины предназначены для выработки электричества. Т.е. такие турбины ставят на . На ставят, в основном, другого типа турбины. Весь пар с котла поступивший в такую турбину совершает работу для получения электроэнергии. Тепловую энергию с таких турбин не получают, за редкими исключениями.
В России такие турбины в советское время производил завод ЛМЗ — Ленинградский металлический завод. В настоящее время он переименован в ОАО «Силовые машины».
Теплофикационные турбины
Турбины типа — Т. Этот вид турбин устанавливают на ТЭЦ, т.е. там, где помимо выработки электричества, ещё нужно получать тепловую энергию — отопление и горячее водоснабжение.
У теплофикационных турбин существуют регулируемые теплофикационные отборы пара. Регулировка осуществляется поворотной диафрагмой. Пар с такого отбора поступает в сетевые подогреватели — теплообменники, где пар передаёт своё тепло сетевой воде.
Теплофикационные турбины, как правило, могут работать и в конденсационном режиме, например, в летнее время. В таком случае пар на сетевые подогреватели не поступает, а весь используется для выработки электричества.
Теплофикационные турбины в России производятся на УТЗ — Уральском турбинном заводе.
Теплофикационные турбины с промышленным отбором пара
Маркировка таких турбин — ПТ.
Промышленный отбор пара означает то, что часть пара с таких турбин уходит на какое-либо стороннее производство (завод, фабрику и т.д.). Пар может возвращаться обратно на электростанцию в виде конденсата, а может и полностью теряться.
Такие турбины в настоящее время практические не устанавливают. В советское время их устанавливали на ТЭЦ вблизи крупных промышленных предприятий — химических комбинатов, деревообрабатывающих заводах и т.д..
Противодавленческие турбины
Противодавленческие турбины имеют маркировку — Р. В составе таких турбин отсутствует конденсатор, а весь отработавший пар идёт с каким-либо небольшим давлением стороннему потребителю.
Этот тип турбин в настоящее время, как и турбины ПТ, не находит применение за редким исключением. После распада Советского Союза многие такие турбины «пылились» без дела, так как отсутствовал внешний потребитель отработавшего пара. Без потребителя пара невозможна и их эксплуатация, а значит и выработка электричества.
Паровая турбина Р-27-8,8/1,35 :
Но позже нашли оригинальное решение их модернизации. В пару к таким турбинам начали устанавливать небольшие турбины типа К (конденсационные), рассчитанные на работу с низким давлением пара. Т.е после того, как пар отработал в турбине Р, он не идёт стороннему потребителю, а поступает на вход дополнительно установленной турбины типа К, где завершает свою работу и конденсируется в конденсаторе.
В отличие от турбин с противодавлением у турбин с промежуточными регулируемыми отборами и конденсатором выработка э/э может вестись независимо от тепловой нагрузки.
Турбина с одним отбором.
1 - часть высокого давления (ЧВД);
2 - часть низкого давления ЧНД);
3 - генератор;
4 - конденсатор;
5 - тепловой потребитель;
6 - стопорный клапан;
7 - регулирующий клапан;
8 - регулирующий клапан ЧНД;
9 - предохранительный клапан;
10 - отсечной клапан;
11 - обратный клапан.
ЧВД и ЧНД представляют собой группы ступеней и могут быть расположены в одном или в разных цилиндрах, соответственно в цилиндре высокого давления (ЦВД) и в цилиндре низкого давления (ЦНД).
Свежий пар с параметрами Р о и t o , пройдя через клапаны 6 и 7, расширяется в ЧВД до давления Р п , которое поддерживается постоянным. После ЧВД поток пара разделяется на поток G п и G к . последний идет через 8 в ЧНД, где расширяется до давления в конденсаторе Р к .
Относительный внутренний КПД всей турбины:
Определим эл. мощность без учетов отборов пара на регенерацию: N э = η м ·η эг ·Ni .
Внутренняя мощность:
Для турбин с регулируемым отбором возможно
Конденсационные;
Теплофикационные.
Режим будет полностью конденсационным , если G п = 0 и турбина работает как турбина типа К. при этом клапан 8 полностью открыт, отсечной клапан 10 полностью закрыт, регулирование нагрузки производится клапаном 7. Отсечной клапан 10 не является регулирующим. Его возможное положение: полностью открыт или полностью закрыт.
Режим называется теплофикационным , когда G п > 0 и отсечной клапан 10 полностью открыт. Необходимые электрическая мощность при постоянной частоте тока и тепловая нагрузка обеспечиваются совместным регулированием степени открытия клапанов 7 и 8.
Как частный случай теплофикационного режима возможна работа с противодавлением , при этом клапан 8 закрыт, и весь пар направляется в регулируемый отбор. Но в ЧНД принудительно пропускается малое количество пара для отвода теплоты трения от ротора ЧНД. Этот пропуск пара называется вентиляционным . В режиме с противодавлением электрическая нагрузка полностью определяется величиной нагрузки теплового потребителя.
Предохранительный клапан 9 служит для предотвращения механических повреждений в случае неправильной работы системы регулирования и превышения давления пара в камере отбора сверх допустимого. Если при внезапном отключении генератора клапан 8 не закроется, то пар из паропровода отбора может пойти обратно и будет поступать в ЧНД и в конденсатор и может разогнать турбину до скорости, вызывающей её разрушение. Чтобы этого не произошло, установлен обратный клапан 11. Предусмотрено принудительное закрытие отсечного клапана 10.
Турбины с 2-мя промежуточными регулируемыми отборами пара.
4) генератор;
5) конденсатор;
6) потребитель низкопотенциальной теплоты (отопительный отбор);
7) производственный потребитель;
8) стопорный клапан;
9) 10) регулирующий клапан;
11) поворотная диафрагма.
Изобразим процесс расширения.
0-1 – расширение пара в ЧВД;
1-2– дросселирование в клапане 10;
2-3– расширение в ЧСД;
3-4– дросселирование в диафрагме 11;
4-5– расширение пара в ЧНД.
Для таких турбин характерно еще большее разнообразие режимов работы по сравнению с турбинами с 1 отбором. Возможен:
Конденсационный режим (10 и 11 полностью открыты, а отсечные клапаны закрыты);
- один из отборов закрыт;
В ЧНД имеется лишь вентиляционный пропуск пара (эл. Мощность полностью определяется нагрузками тепловых потребителей).
Необходимые в каждый момент времени эл. мощность с постоянной частотой тока и тепловые нагрузки с заданными давлениями Р п и Р т обеспечиваются совместным регулированием степени открытия клапанов 9 и 10 и диафрагмы 11.
Клапаны 9 и 10 представляют собой клапаны с сервомоторным приводом.
Регулирующим органом между ЧСД и ЧНД обычно служит поворотная диафрагма 11 из-за больших объемов расхода пара. При этом ЧСД и ЧНД расположены в ЦНД. В закрытом положении некоторая часть вентиляционного пара проходит в ЧНД через малые зазоры между лопатками и окнами диафрагмы.
12) сопловая решетка первой ступени ЧНД.
Втех случаях, когда необходимо одновременно снабжать тепловых потребителей паром двух различных давлений, например для отопительных и промышленных целей, на ТЭЦ могут быть установлены турбины ПР с отбором и противодавлением или турбины ПТ с двумя регулируемыми отборами.
Схема турбины с противодавлением и регулируемым отбором пара показана на рис.6.4.
Рис 6.4 Схема турбины с противодавлением и одним регулируемым отбором пара:
1,3-части высокого и низкого давления, 2-регулирующий клапан, 4-конденсационная турбина, 5,6-тепловые потребители
Пар, имеющий давление р 0 и температуру t 0 , подводится к турбине и расширяется в ее ЧВД 1 до давления р п , необходимого тепловым потребителем. Затем поток пара разделяется: часть пара D n направляется к одному тепловому потребителю 6, а остальная D т через регулирующие клапаны 2 проходит в ЧНД 3, где расширяется до давления р т , необходимого другому тепловому потребителю 5 (чаще всего это системы отопления и горячего водоснабжения).Мощность турбины ПР, как и турбины Р, зависит от нагрузки тепловых потребителей. Поскольку турбина ПР может быть использована рационально лишь при работе по тепловым графикам обоих потребителей теплоты, параллельно ей должна быть включена конденсационная турбина 4, компенсирующая колебания электрической нагрузки.
Недостатком турбин ПР, как и турбин Р, является неполное использование электрического оборудования в периоды сокращенного теплового потребления.
6.4 Турбины с двумя регулируемыми отборами пара
Недостатки паротурбинных установок, использующих турбины с регулируемым отбором пара и противодавлением, связаны с тем, что электрическая мощность в них зависит от нагрузки тепловых потребителей, и в значительной мере устраняются при использовании на ТЭЦ турбин с двумя регулируемыми отборами пара. Схема такой турбины показана на рис.6.5, а.
Рис 6.5 Схема турбины с двумя регулируемыми отборами (а) и h,s-диаграмма процесса расширения пара в ней (б):
1,2,3-части высокого, среднего и низкого давления, 4-конденсатор,
5,6-тепловые потребители
Турбина имеет три части: высокого 1 (ЧВД); среднего 2 (ЧСД) и низкого 3 (ЧНД) давлений, между которыми осуществляется промышленный (давление р п ) и теплофикационный (давление р т ) регулируемые отборы пара.
Поток пара D o , имеющий параметры р 0 и t o , расширяется в ЧВД до давления р п . При этом давлении часть пара D n отбирается промышленным тепловым потребителем 6, а часть пара D o - D п проходит через регулирующие клапаны в ЧСД, где расширяется от давления отбора р т . При этом давлении производится второй отбор, из которого часть пара D T направляется теплофикационному потребителю 5, а остальной D o - D n - D т = D к через регулирующие органы поступает в ЧНД, а затем расширяется в конденсаторе до давления р к . Процесс расширения пара в h , s - диаграмме показан на рис.6.5,б.
Режим турбины с двумя регулируемыми отборами пара определяется ее мощностью Р э , расходами пара, направляемого промышленному D n и теплофикационному D т потребителям, и расходом пара D o в ЧВД. Графически зависимости между этими величинами изображаются на диаграмме режимов, так же как для турбины с одним регулируемым отбором пара.
Однако в турбине с одним отбором пара диаграмма режимов изображает взаимную зависимость между тремя величинами D 0 , D n и Р э и поэтому может быть представлена поверхностью в трехмерном пространстве или, как показано на рис.6.3, сеткой кривых, которые можно рассматривать как линии пересечения этой поверхности с плоскостями постоянного расхода пара D n = const . Для турбины с двумя регулируемыми отборами пара так изобразить диаграмму режимов на плоскости невозможно, так как число переменных не три, а четыре.
Рис 6.6 Зависимость мощностей частей высокого, среднего и низкого давления турбины с двумя регулируемыми отборами от расхода пара
Для построения диаграммы режимов турбины с двумя отборами пара вначале определяют зависимость мощности, развиваемой каждой частью турбины, от расхода пара. Выполнив расчет переменного режима и предполагая, что перед ЧСД и ЧНД состояние пара сохраняется неизменным, определяют зависимость электрической мощности от расхода пара P э = f (D ) для каждой из трех частей турбины. В качестве примера на диаграмме, показанной на рис.6.6, для турбины с двумя регулируемыми отборами построены эти зависимости, причем мощности отдельных частей подсчитаны в долях от номинальной мощности всей турбины, а расход пара - в долях от его расчетного расхода через ЧВД. Если предположить, что отбор пара низкого давления не производится и через ЧНД может быть пропущен весь пар, поступающий в ЧСД, суммарная мощность ЧСД и ЧНД может быть представлена линией ае . Зная зависимость мощности ЧВД и суммарной мощности ЧСД и ЧНД от расходов пара через них, можно построить диаграмму режимов турбины с одним (промышленным) отбором, как это, например, сделано в правой части рис. 6.7.
Рис 6.7 Диаграмма режимов турбины с двумя регулируемыми отборами пара
Таким образом, правая часть рис.6.7 представляет собой диаграмму режимов турбины с одним отбором пара, в которой его расход через ЧНД равен расходу через ЧСД. В левой части рис.6.7 линия ad представляет собой зависимость мощности ЧНД от расхода пара.
Пользуясь диаграммой, показанной на рис.6.7, можно для турбины с двумя регулируемыми отборами найти расход пара при заданной мощности и заданных расходах в отборы. Пусть заданы Р э , D n и D т и надо определить расход пара D o .
Допустим, что поток пара D T направляется через ЧНД в конденсатор турбины. Тогда, работая в ЧНД, этот пар выработал бы дополнительную мощность Р э III и мощность турбины составила Р э I = Р э + Р э III . Увеличение суммарной мощности турбины может быть найдено по диаграмме, если от точки А , соответствующей заданной мощности, провести линию АВ , параллельную линии ad , до пересечения в точке В с линией заданного расхода пара D T . При этом отрезком АС будет определяться дополнительная мощность, выработанная в ЧНД в результате дополнительного расхода пара D т через ЧНД. Таким образом, отказываясь от отбора пара D т и направляя этот отбор в ЧНД, мы получили бы от турбины увеличенную мощность, определяемую на диаграмме точкой С , и одновременно перевели бы турбину на работу с одним регулируемым отбором пара.
Приняв этот фиктивный режим работы турбины, и пользуясь правой частью диаграммы, показанной на рис.6.7, можно определить суммарный расход пара через турбину при заданном его расходе D n первого отбора - точка Е .
Таким образом, используя диаграмму, заменяют режим турбины с двумя отборами пара некоторым фиктивным режимом, при котором его расходы через ЧВД и ЧСД остаются такими же, как при действительном режиме, а расход через ЧНД увеличивается на количество второго отбора. Связанное с увеличением расхода пара через ЧНД увеличение мощности турбины определяют по вспомогательной диаграмме в левой части рис.6.7.
Расход пара второго отбора не может быть произвольным и его максимальное количество (без учетa регенеративных отборов)
где
-
наименьший допустимый расход пара через
ЧНД (конденсатор).
Поэтому второй отбор может быть выбран произвольно лишь в пределах от нуля до D т max .
Начальные параметры пара t o и р о , а также его давления в отборах р п и р т могут отклоняться от расчетных значений. В этом случае мощность турбины отличается от мощности, полученной по диаграмме режимов, и определяется с помощью специальных поправочных коэффициентов.
Турбины с двумя регулируемыми отборами пара получили распространение на ТЭЦ, строящихся в районах крупного промышленного потребления теплоты. В этих районах необходим как пар высокого давления для промышленных целей, так и пар низкого давления для отопления и горячего водоснабжения предприятий и прилегающих к ним жилых районов.