Проектирование расширения турбинного цеха с установкой дополнительной турбины ТОО ТЭЦ-3 «Караганда-Энергоцентр»

3 Классификация современных паровых турбин

 

 

Паровая турбина является силовым двигателем, в котором  потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а кинетическая в  свою очередь преобразуется в  механическую энергию вращения вала [1]. Вал турбины непосредственно или при помощи зубчатой передачи  соединяется с рабочей машиной. В зависимости от назначения рабочей машины паровая турбина может быть применена в самых различных областях промышленности: в энергетике, на транспорте, в морском и речном судоходстве и т.д.

Паровая турбина является основным типом двигателя на современной  тепловой электростанции, в том числе  атомной. Паровая турбина обладает большой быстроходностью, отличается сравнительно малыми размерами и  массой и может быть построена  на очень большую мощность (более 1000 МВт), превышающую мощность какой-либо другой машины. Вместе с тем у паровой турбины исключительно хорошие технико-экономические показатели: относительно небольшая удельная стоимость, высокие экономичность, надежность и ресурс работы, составляющий десятки лет.

Все многообразие современных  паровых турбин можно классифицировать по 8 основным признакам:

-по использованию  в промышленности;

-по числу ступеней;

-по направлению потока  пара;

-по числу корпусов (цилиндров);

-по принципу парораспределения;

-по принципу действий  пара;

-по характеру теплового  процесса;

-по параметрам свежего  пара.

 

 

3.1 Классификация паровых турбин по использованию в промышленности

 

 

В зависимости от конструктивных особенностей, характера теплового  процесса, параметров свежего и отработавшего пара и использования в промышленности существуют различные признаки классификации паровых турбин.

По использованию в  промышленности все турбины делятся  на:

- транспортные турбины - турбины нестационарного типа с переменным числом оборотов; турбины этого типа применяются для привода гребных винтов крупных судов (судовые турбины) и на железнодорожном транспорте (турболокомотивы).

- стационарные паровые турбины  - это турбины, сохраняющие при эксплуатации неизменным свое местоположение. Стационарные турбины в свою очередь подразделяются на:

- энергетические турбины - турбины стационарного типа с постоянным числом оборотов, предназначенные для привода электрических генераторов, включенных в энергосистему, и отпуска теплоты крупным потребителям, например (жилым районам, городам и т.д.). Их устанавливают на крупных ГРЭС, АЭС и ТЭЦ. Энергетические турбины характеризуются прежде всего большой мощностью, а их режим работы - практически постоянной частотой вращения. Подавляющее большинство энергетических турбин выполняют на номинальную частоту вращения 3000 1/мин. Их называют быстроходными. Для АЭС некоторые турбины выполняют тихоходными - на частоту вращения 1500 1/мин.

- промышленные и вспомогательные турбины - турбины стационарного типа с переменным числом оборотов. Промышленные турбины служат для производства теплоты и электрической энергии, однако их главной целью является обслуживание промышленного предприятия, например металлургического, текстильного, химического и т.д. Часто такие турбины работают на маломощную индивидуальную электрическую сеть, а иногда используются для привода агрегатов с переменной частотой вращения, например воздуходувок доменных печей. Мощность промышленных турбин существенно меньше, чем энергетических.

Вспомогательные турбины используются для обеспечения технологического процесса производства электроэнергии - обычно для привода питательных насосов, вентиляторов, воздуходувок котла и т.д.

 

 

3.2 Классификация ПТ по числу ступеней

 

 

- одноступенчатые турбины - с одной или несколькими ступенями скорости; эти турбины (обычно небольшой мощности) применяются главным образом для привода центробежных насосов, вентиляторов и других аналогичных механизмов;

- многоступенчатые турбины активного и реактивного типов малой, средней и большой мощности.

 

 

3.3 Классификация ПТ по направлению потока пара

 

 

- осевые турбины, в которых поток пара движется вдоль оси турбины;

-радиальные турбины, в которых поток пара движется в плоскости, перпендикулярной оси вращения турбины;

Иногда одна или несколько последних ступеней мощных радиальных конденсационных турбин выполняются осевыми. Радиальные турбины в свою очередь подразделяются на имеющие неподвижные направляющие лопатки и на имеющие только вращающиеся рабочие лопатки.

 

3.4 Классификация ПТ по числу корпусов (цилиндров)

 

- однокорпусные (одноцилиндровые);

- двухкорпусные (двухцилиндровые);

- многокорпусные (многоцилиндровые).

Большинство турбин выполняют  многоцилиндровыми. Это позволяет  получить более высокую мощность в одном агрегате, что удешевляет и турбину и электростанцию. Наибольшее число цилиндров, из которых состоит современная турбина - 5.

Многоцилиндровые турбины, у которых валы отдельных корпусов составляют продолжение один другого  и присоединены к одному генератору, называются одновальными; турбины с параллельным расположением валов называются многовальными. В последнем случае каждый вал имеет свой генератор.

 

 

3.5 Классификация ПТ по принципу парораспределения

 

 

- турбины с дроссельным парораспределением, у которых свежий пар поступает через один или несколько одновременно (в зависимости от развиваемой мощности) открывающихся клапанов, в настоящий момент не находят применения;

- турбины с сопловым парораспределением, у которых свежий пар поступает через два или несколько последовательно открывающихся регулирующих клапанов;

- турбины с обводным парораспределением, у которых, кроме подвода свежего пара к соплам первой ступени, имеется подвод свежего пара к одной, двум или даже трем промежуточным ступеням (устаревшие турбины).

 

 

3.6 Классификация ПТ по принципу действий пара

 

 

- активные турбины, в которых потенциальная энергия пара превращается в кинетическую в каналах между неподвижными лопатками или в соплах, а на рабочих лопатках кинетическая энергия пара превращается в механическую работу; в применении к современным активным турбинам это понятие несколько условно, так как они работают с некоторой степенью реакции на рабочих лопатках, возрастающей от ступени к ступени по направлению хода пара, особенно в конденсационных турбинах. Турбины активного типа выполняются только осевыми;

- реактивные турбины, в которых расширение пара в направляющих и рабочих каналах каждой ступени происходит примерно в одинаковой степени. Эти турбины могут быть как осевыми, так и радиальными, а последние в свою очередь могут исполняться как с неподвижными направляющими лопатками, так и с только вращающимися рабочими лопатками.

 

 

3.7 Классификация ПТ по характеру теплового процесса

 

 

В зависимости от характера теплового  процесса паровые турбины подразделяются на три группы: конденсационные, теплофикационные и турбины специального назначения

 

Конденсационные паровые турбины  служат для превращения максимально  возможной части теплоты пара в механическую работу. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум (отсюда возникло наименование). 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 связана с частотой электрического тока 50 Герц. То есть на двухполюсных генераторах 3000 оборотов в минуту, на четырёхполюсных соответственно 1500 оборотов в минуту. Частота электрического тока вырабатываемой энергии является одним из главных показателей качества отпускаемой электроэнергии. Современные технологии позволяют поддерживать частоту вращения с точностью до трёх оборотов. Резкое падение электрической частоты влечёт за собой отключение от сети и аварийный останов 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. Все паровые турбины для электростанций рассчитываются на 100 тыс. ч работы (до капитального ремонта).

Принцип работы станции с конденсационной турбиной состоит в следующем: свежий (острый) пар из котельного агрегата по паропроводу попадает на рабочие лопатки паровой турбины. При расширении, кинетическая энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора турбины, который расположен на одном валу с электрическим генератором. Отработанный пар из турбины направляется в конденсатор, в котором, охладившись до состояния воды путём теплообмена с циркуляционной водой пруда-охладителя, градирни или водохранилища по трубопроводу направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса. Большая часть полученной энергии используется для генерации электрического тока.

Теплофикационные паровые  турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. Но основной конечный продукт  таких турбин — тепло. Тепловые электростанции, на которых установлены теплофикационные паровые турбины, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). К теплофикационным паровым турбинам относятся турбины с противодавлением, с регулируемым отбором пара, а также с отбором и противодавлением.

У турбин с противодавлением весь отработавший 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 1 или 2 промежуточных ступеней, а  остальной пар идёт в конденсатор. Давление отбираемого пара поддерживается в заданных пределах системой регулирования. Место отбора (ступень турбины) выбирают в зависимости от нужных параметров пара.

У турбин с отбором  и противодавлением часть пара отводится  из 1 или 2 промежуточных ступеней, а весь отработавший пар направляется из выпускного патрубка в отопительную систему или к сетевым подогревателям.

Принцип работы станции с теплофикационной турбиной состоит в следующем: свежий (острый) пар из котельного агрегата по паропроводу направляется на рабочие лопатки цилиндра высокого давления (ЦВД) паровой турбины. При расширении, кинетическая энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины, который соединен с валом электрического генератора. В процессе расширения пара из цилиндров среднего давления производятся теплофикационные отборы, и из них пар направляется в подогреватели сетевой воды. Отработанный пар из последней ступени попадает в конденсатор, где и происходит его конденсация, а затем по трубопроводу направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса. Большая часть тепла, полученного в котле, используется для подогрева сетевой воды.

Паровые турбины специального назначения обычно работают на технологическом  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 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 с 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.

Обычно стационарные паровые турбины имеют нерегулируемые отборы пара из ступеней давления для  регенеративного подогрева питательной  воды. Паровые турбины специального назначения не строят сериями, как конденсационные и теплофикационные, а в большинстве случаев изготовляют по отдельным заказам.