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.