Начертательная
Математика
Лабораторные
Электротехника
Конструирование
Примеры
Физика
Электрические сети

Инженерная графика

Курсовая
ТОЭ
Энергетика
Черчение
Практика
Расчеты
На главную

[an error occurred while processing this directive]

Турбинное оборудование

Паровые турбины

Паровая турбина (ПТ), первичный паровой двигатель с вращательным движением рабочего органа (ротора) и непрерывным рабочим процессом, служит для преобразования тепловой энергии пара водяного в механическую работу. Поток водяного пара поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор во вращение. В отличие от поршневой паровой машины, ПТ использует не потенциальную, а кинетическую энергию пара. Попытки создать ПТ делались очень давно. Известно описание примитивной ПТ, сделанное Героном Александрийским (1 в. до н. э.). Однако только в конце 19 в., когда термодинамика, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня, К. Г.П. де Лаваль (Швеция) и Ч.А. Парсонс (Великобритания) независимо друг от друга в 1884–89 гг. создали промышленно пригодные ПТ Лаваль применил расширение пара в конических неподвижных соплах в один приём от начального до конечного давления и полученную струю (со сверхзвуковой скоростью истечения) направил на один ряд рабочих лопаток, насаженных на диск. ПТ, работающие по этому принципу, получили название активных ПТ. Парсонс создал многоступенчатую реактивную ПТ, в которой расширение пара осуществлялось в большом числе последовательно расположенных ступеней не только в каналах неподвижных (направляющих) лопаток, но и между подвижными (рабочими) лопатками.

Паровая турбина оказалась очень удобным двигателем для привода роторных механизмов (генераторы электрического тока, насосы, воздуходувки) и судовых винтов; она была более быстроходной, компактной, лёгкой, экономичной и уравновешенной, чем поршневая паровая машина. Развитие ПТ шло чрезвычайно быстро как в направлении улучшения экономичности и повышения единичной мощности, так и по пути создания специализированных ПТ различного назначения.

Альфа-излучатели. Интенсивными источниками а-излучения являются некоторые радионуклиды с большим атомным весом (самарий-146, гадолиний-148, 150, полоний-210, радий-226, актиний-227, протактиний-231, нептуний-237), большинство изотопов тория (Th-228,-229,-230,-232), урана (U-232,-233,-234,-235,-236,-238), плутония (Pu-238,-239,-240,-241,-242), америция (Am-241,-243), кюрия (Cm-242,-243,-244,-245,-246), берклия (Bk-247) и калифорния (Cf-249,-250,-251,-252). При этом часть этих радионуклидов (самарий-146, галолиний-148,150, полоний-210, протактиний-231, плутоний-23 9,-240, нептуний-237) являются практически чистыми альфа-излучателями.

Невозможность получить большую агрегатную мощность и очень высокая частота вращения одноступенчатых ПТ Лаваля (до 30 000 об/мин у первых образцов) привели к тому, что они сохранили своё значение только для привода вспомогательных механизмов. Активные ПТ развивались в направлении создания многоступенчатых конструкций, в которых расширение пара осуществлялось в ряде последовательно расположенных ступеней. Это позволило значительно увеличить единичную мощность ПТ, сохранив умеренную частоту вращения, необходимую для непосредственного соединения вала паровой турбины с вращаемым ею механизмом.

Реактивная паровая турбина некоторое время применялась в основном на военных кораблях, но постепенно уступила место более компактным комбинированным активно-реактивным паровым турбинам, у которых реактивная часть высокого давления заменена одно- или двухвенчатым активным диском. В результате уменьшились потери на утечки пара через зазоры в лопаточном аппарате, турбина стала проще и экономичнее.

В современной энергетике паровая турбина является основным типом теплового двигателя. Она устанавливается в качестве первичного двигателя почти на всех современных ТЭС. Преимущество паровых турбин перед поршневыми тепловыми двигателями заключается в следующем: возможность получения больших мощностей в одном агрегате, высокая экономичность и надежность, небольшие габаритные размеры, возможность непосредственного соединения с электрическим генератором, возможность применения пара высоких параметров.

Принцип действия турбины прост. Рабочее тело (пар), имеющее высокое давление и обычно высокую температуру, при истечении из сопла теряет давление и получает приращение кинетической энергии. Процесс протекает адиабатно, поскольку теплообмен не успевает осуществиться. Такие турбины вырабатывают мощность при расширении рабочего тела до более низкого давления. В этих устройствах энергия постоянно движущегося потока отводится от него динамическим воздействием нескольких движущихся рядов лопаток. Чтобы такое воздействие осуществлялось, необходима определенная скорость движения рабочего тела относительно движущихся лопаток (ротора). Эту скорость (кинетическую энергию) рабочее тело получает в неподвижных каналах соплового аппарата (статора). В сопловых каналах потенциальная энергия рабочего тела преобразуется в кинетическую. Таким образом, паровая турбина представляет собой весьма сложный агрегат, состоящий из вращающейся части – ротора и неподвижной части – корпуса.

Потенциальная энергия рабочего тела в начале процесса достаточно велика, и осуществить ее перевод в кинетическую энергию в одном ряду сопловых каналов технически невозможно.

Этот процесс носит постепенный, ступенчатый характер.

Принципиальное отличие активной турбины от реактивной заключается в том, что в первой расширение пара происходит только в неподвижной сопловой решетке, а во второй – и в сопловой, и в рабочей решетке. Наибольшее применение нашли активные турбины.

По характеру теплового процесса различают турбины конденсационные и теплофикационные. В конденсационных турбинах (типа К) пар из последней ступени отводится в конденсатор. Давление отработавшего конденсирующего пара 0,003–0,005 МПа. Турбины типа К не имеют регулируемых (при неизменном давлении) отборов пара, хотя, как правило, имеют много нерегулируемых отборов пара для регенеративного подогрева питательной воды, а иногда и для внешних тепловых потребителей.

Главное назначение конденсационных турбин – обеспечивать производство электрической энергии, поэтому они являются основными агрегатами мощных ТЭС.

На современных паротурбинных ТЭЦ основная комбинированная выработка кинетической энергии производится на базе теплоты, отдаваемой из теплофикационных отборов или из хвостовой части турбины в систему теплоснабжения, то есть на базе отбора теплового потребления. На базе теплоты из регенеративных отборов турбин ТЭЦ вырабатывается комбинированным методом дополнительное количество кинетической энергии, составляющее на современных ТЭЦ с высокими начальными параметрами примерно 15–20 % комбинированной выработки на базе внешнего теплового потребления. Энергетическая эффективность теплофикации оценивается по экономии топлива при получении от ТЭЦ заданных нагрузок по электрической энергии и теплоте, по сравнению с расходом топлива при раздельном методе, то есть выработке электрической энергии на КЭС и теплоты в котельных.

Теплофикационные турбины имеют один или несколько регулируемых отборов пара, в которых поддерживается заданное давление. Они предназначены для выработки теплоты и электроэнергии. Теплофикационная турбина может выполняться с конденсацией пара и без нее. В первом случае она может иметь отопительный отбор пара (турбины типа Т) для нужд отопления или производственный отбор пара (турбины типа П) для технологических нужд промышленных предприятий или тот и другой отборы (турбины типа ПТ). Во втором случае турбина будет носить название турбины с противодавлением (турбины типа Р). В ней пар из последней ступени направляется не в конденсатор, а непосредственно производственному потребителю. Таким образом, главным назначением турбины с противодавлением является производство пара заданного давления (в пределах 0,3–3 МПа). Схема турбины с противодавлением показана на рис. 2.1.

а)

б)

Рис. 2.1. Схемы мини-ТЭЦ на органическом топливе с турбиной

противодавления (а) и с турбиной паровой с регулируемым отбором (б)

На рисунке обозначено: 1 – паровой котел; 2 – РОУ; 3 – турбогенератор; 4 – тепловой потребитель; 5 – конденсатор; 6 – обратный конденсатный насос; 7 – конденсатный насос; 8 – пар от отбора; 9,12 – пар на регенеративный подогрев и в деаэратор; 10,14 – регенеративные низкого высокого давлений; 13 – питательный насос.

Турбины с противодавлением, (рис 2.1 а) имеют существенный недостаток, связанный с невозможностью одновременной независимой работы по тепло- и электрическому графикам. Гораздо большее распространение получили теплофикационные турбины с регулируемыми отборами пара для потребителей теплоты (рис 2.1 б).

Турбина с регулируемым отбором пара может работать как в режиме турбины с противодавлением, так и в режиме конденсационной турбины.

Теплофикационные турбины имеют свои отличительные особенности по сравнению с конденсационными турбинами. Конструкция теплофикационной турбины усложняется наличием дополнительных выводов из цилиндра больших объемных расходов пара и размещением регулирующих органов отбора. В турбинном зале ограниченных размеров необходимо разместить много дополнительного оборудования, трубопроводы отборов и сетевые подогреватели. Для теплофикационных турбин дополнительно приходится решать задачи регулирования нескольких параметров, вопросы обеспечения надежности и экономичности лопаточного аппарата и турбоагрегата в целом в характерном для этих турбин широком диапазоне возможных режимов.

Паровые турбины электростанций используются для привода электрических генераторов и поэтому должны работать с постоянным числом оборотов, обеспечивающим требуемую стабильность частоты переменного тока. Для поддержания равенства развиваемой турбиной мощности и нагрузки генератора служит автоматическое регулирование частоты вращения. Основным элементом системы регулирования паровой турбины является регулятор частоты (скорости), который реагирует на изменение числа оборотов. Зависимость между мощностью турбины N и частотой вращения n принято называть статической характеристикой регулирования. Форма статической характеристики зависит от свойств и типа системы автоматического регулирования турбины.

Каждая турбина снабжена автоматической защитой, отключающей подачу пара на турбину путем закрытия быстродействующего стопорного клапана при чрезмерном повышении частоты вращения. Кроме того, защита срабатывает при осевом сдвиге с турбины, при недопустимом падении вакуума в конденсаторе, при недопустимом давлении масла в системе смазки подшипников. Наибольшую трудность создает для системы регулирования случай полного сброса нагрузки при отключении электрического генератора от сети.

При этом система регулирования должна удержать турбину на холостом ходу, прикрыв регулирующие клапаны.

Системы маслоснабжения, регулирования, охлаждения и смазывания подшипников могут иметь общий масляный бак и общие насосы подачи масла. Такие системы применяются для турбин мощностью до 200 МВт. В качестве рабочего тела в таких маслосистемах используют нефтяные масла Т-22, Ти-22, Тп-22С, ТСп-22 или по паспортным данным завода-изготовителя.

Применение повышенного давления масла в системах регулирования мощных турбин поставило проблему пожарной безопасности агрегата в случае разрыва маслопроводов системы регулирования и попадания масла на паропроводы свежего пара. Проблема была решена использованием в системах регулирования огнестойких синтетических масел Иввиоль и ОМТИ, а в системах смазывания – нефтяного масла Т-22.

Дальнейшим развитием применения в системах регулирования негорючих масел стала водяная система регулирования. Основным преимуществом использования воды в системах регулирования является резкое повышение пожарной безопасности. Кроме того, при использовании воды легко увеличить давление в системах и, следовательно, уменьшить размеры всех ее элементов и повысить их быстродействие. И, наконец, вода, в отличие от негорючих синтетических жидкостей, дешева и является рабочим телом основного производственного процесса; контроль ее качества проводится химическим лабораториями для всей установки в целом.

Термодинамический цикл паросиловой установки предполагает обязательное наличие холодного источника.

В качестве такого источника используют конденсационные устройства, являющиеся частью паротурбинной установки.

Главная часть этих устройств – конденсатор пара. В конденсаторе пар переходит в жидкое состояние, изменяя свой объем в 25000–30000 раз. Процесс перехода пара в жидкость – изобарный. Рабочее тело сохраняется в конденсаторе для обеспечения его постоянной циркуляции в цикле. Теплоту конденсации в конденсаторе воспринимает охлаждающая вода. Так как температура охлаждающей воды обычно значительно ниже ее температуры насыщения при атмосферном давлении, то конденсация водяного пара в конденсаторе происходит при давлениях ниже атмосферного. Водяной пар в своем составе имеет небольшое количество неконденсирующихся газов. Кроме того, значительная часть воздуха может проникать в конденсатор из атмосферы через неплотности системы. Неконденсирующиеся газы ухудшают теплопередачу в конденсаторе. Таким образом, для нормальной работы конденсатора, работающего при давлениях конденсации ниже атмосферного, необходимо непрерывно отводить:

теплоту конденсации пара;

конденсат из конденсатора;

неконденсирующиеся газы из конденсатора.

Первое достигается прокачкой воды через трубки конденсатора, для чего создается циркуляционная система водоснабжения с насосами, внешними охладителями и другим оборудованием.

Откачка конденсата осуществляется конденсатными насосами, неконденсирующихся газов – пароструйными и водоструйными эжекторами.

Эффективность работы конденсатора зависит от начальной температуры t1В и нагрева охлаждающей воды Δt. Нагрев воды на различных режимах работы конденсатора зависит только от отношения m ее расхода W к количеству пара Gк, поступающего в конденсатор. Чем больше т = W/Gк, тем меньше нагрев воды и, следовательно, меньше давление конденсации Рк. В реальном поверхностном конденсаторе имеет место определенный температурный напор δt = t2В – tН между конденсирующимся паром и охлаждающей водой на выходе. Наименьшие значения Δt, достигнутые в практике, составляют примерно 1–5 °С для нормальных нагрузок. Большие температурные напоры свидетельствуют либо о плохой плотности вакуумной системы, о недостаточной производительности эжекторов, либо об уменьшении расхода или о появлении малотеплопроводных отложений на поверхности трубок или эксплуатационных нарушениях.

Как было показано ранее, значение Рк связано е расходом охлаждающей воды. Понижение Рк может быть достигнуто увеличением расхода охлаждающей воды при неизменных t1в и Gk. Чем ниже абсолютное давление за турбиной, тем больше располагаемый перепад и выше развиваемая турбиной мощность при одном и том же расходе пара.

[an error occurred while processing this directive]

Теплоэнергетика

Архитектура ПК
Примеры задач
Физика
Лабораторные
Теория механизмов
Математика