O turbină cu abur este o turbină în care vaporii de apă sunt utilizați ca fluid de lucru , obținuți prin încălzirea apei în cazane cu abur . [unu]
O turbină cu abur este unul dintre elementele unei instalații de turbină cu abur (STP).
O turbină cu abur și un generator electric formează o unitate de turbină .
Turbina cu abur este formată din două părți principale. Rotorul cu palete este partea mobilă a turbinei. Statorul cu duze este o parte fixă.
În funcție de direcția fluxului de abur, se disting turbinele axiale cu abur, în care fluxul de abur se mișcă de-a lungul axei turbinei, și radiale , în care direcția fluxului de abur este perpendiculară , iar paletele rotorului sunt paralele cu axa de rotatie.
În funcție de numărul de cilindri, turbinele sunt împărțite în un singur cilindru și doi-trei, patru-cinci cilindri. Turbina cu mai multe cilindri permite utilizarea diferențelor mari de entalpie termică disponibile prin acomodarea unui număr mare de trepte de presiune, utilizarea materialelor de înaltă calitate în piesele de înaltă presiune și divizarea fluxului de abur în părțile de medie și joasă presiune. O astfel de turbină se dovedește a fi mai scumpă, grea și complexă. Prin urmare, turbinele cu casete multiple sunt utilizate în instalațiile puternice de turbine cu abur.
După numărul de arbori, se disting un singur arbore, doi arbori, mai rar trei arbori, conectați printr-un proces termic comun sau un angrenaj comun (reductor). Dispunerea arborilor poate fi atât coaxială, cât și paralelă - cu o aranjare independentă a axelor arborilor.
La capătul frontal al arborelui este instalat un regulator de limită ( regulator de siguranță), care oprește automat turbina când viteza crește cu 10-12% peste cea nominală.
P1 h1 s1 - presiunea, entalpia și entropia aburului la intrarea turbinei ;
P2 h2 s2 - presiunea, entalpia și entropia aburului de evacuare la ieșirea turbinei ;
1 - dilatarea aburului in turbina ;
2 - abur saturat ;
3 - apă în stare de saturație ( fierbe );
4 este izoterma temperaturii inițiale ;
5 este izoterma temperaturii finale ;
6 este presiunea inițială izobară ;
7 este presiunea finală izobară ;
8 - punct critic
(în punctul critic, întregul volum de apă este transformat în abur (diferența dintre faza lichidă și cea gazoasă a apei dispare).) ;
9 - curba de umiditate constantă a aburului .
În funcție de natura procesului termic, turbinele cu abur sunt împărțite în 3 grupe principale:
Turbinele cu abur cu condensare sunt folosite pentru a transforma cea mai mare parte posibilă a căldurii aburului în lucru mecanic . Acestea funcționează cu eliberarea (evacuarea) aburului de evacuare în condensator (de unde și numele), în care se menține un vid . Turbinele cu condensare sunt staţionare şi de transport.
Turbinele staționare sunt fabricate pe același arbore ca și alternatoarele . Astfel de unități se numesc turbogeneratoare . Centralele termice care au turbine cu condensare se numesc centrale electrice cu condensare ( CPP ). Principalul produs final al unor astfel de centrale electrice este electricitatea . Doar o mică parte din energia termică este utilizată pentru nevoile proprii ale centralei electrice și, uneori, pentru furnizarea de căldură a unei localități din apropiere . De obicei, acesta este un sat de ingineri energetici. Se dovedește că cu cât puterea turbogeneratorului este mai mare, cu atât este mai economic și cu atât costul de 1 kW de putere instalată este mai mic. Prin urmare, generatoarele cu turbină de putere crescută sunt instalate la centralele electrice în condensare.
Viteza rotorului unui turbogenerator staționar este proporțională cu frecvența curentului electric 50 Herți ( mașină sincronă ). Adică la generatoarele cu doi poli 3000 rpm, la generatoarele cu patru poli, respectiv, 1500 rpm. Frecvența curentului electric este unul dintre principalii indicatori ai calității energiei electrice furnizate . Tehnologiile moderne fac posibilă menținerea frecvenței rețelei cu o precizie de 0,2% (GOST 13109-97). O scădere bruscă a frecvenței electrice implică o deconectare de la rețea și o oprire de urgență a unității de alimentare , în care se observă o defecțiune similară.
În funcție de scop, turbinele cu abur ale centralelor electrice pot fi de bază, purtând o sarcină principală constantă; funcționare de vârf, pe termen scurt pentru acoperirea vârfurilor de sarcină; turbine auxiliare care răspund nevoilor centralei în energie electrică. De la cele de bază, este necesară o eficiență ridicată la sarcini aproape de maxim (aproximativ 80%), de la cele de vârf - capacitatea de a porni și pune rapid în funcțiune, de la turbine auxiliare - fiabilitate deosebită în funcționare. Turbinele cu abur pentru centralele electrice au o resursă a flotei de 270 de mii de ore cu un timp de operare de 4-5 ani.
Turbinele cu abur de transport sunt folosite ca motoare principale și auxiliare pe nave și nave. Au fost făcute încercări repetate de a utiliza turbine cu abur pe locomotive , cu toate acestea, locomotivele cu turbine cu abur nu au fost utilizate pe scară largă. Pentru a conecta turbinele de mare viteză cu elice care necesită o viteză mică (de la 100 la 500 rpm), se folosesc reductoare de viteze . Spre deosebire de turbinele staționare (cu excepția turbosuflantelor), turbinele marine funcționează la o viteză variabilă, determinată de viteza necesară a navei.
Schema de funcționare a turbinei cu condensare: Aburul proaspăt (fierbinte) din unitatea cazanului (1) prin conducta de abur (2) intră în paletele de lucru ale turbinei cu abur (3) . La extindere, energia cinetică a aburului este convertită în energie mecanică de rotație a rotorului turbinei, care este situat pe același arbore (4) cu un generator electric (5) . Aburul de evacuare (motolit) din turbină este trimis la condensatorul (6) , în care, după ce s-a răcit la starea de apă prin schimb de căldură cu apa circulantă (7) a iazului de răcire , turnului de răcire sau rezervorului prin conductă (8) , este trimis înapoi la unitatea cazanului folosind o pompă ( 9) . Cea mai mare parte a energiei primite este folosită pentru a produce energie electrică.
Turbinele cu abur de cogenerare sunt utilizate pentru producerea simultană de energie electrică și termică. Centralele termice în care sunt instalate turbine combinate de căldură și energie electrică se numesc centrale termice combinate ( CHP ). Turbinele cu abur de cogenerare includ turbine cu:
Pentru turbinele cu contrapresiune, toți aburul evacuat este utilizat în scopuri tehnologice (gătit, uscare, încălzire). Puterea electrică dezvoltată de o unitate de turbină cu o astfel de turbină cu abur depinde de nevoia de producție sau de sistemul de încălzire pentru încălzirea aburului și se modifică odată cu aceasta. Prin urmare, turbina cu contrapresiune funcționează de obicei în paralel cu o turbină cu condensare sau o rețea electrică, care acoperă deficitul de putere rezultat .
În turbinele cu extracție controlată, o parte din abur este îndepărtată dintr-una sau două trepte intermediare, iar restul aburului merge la condensator. Presiunea aburului de purjare este menținută în limitele specificate de sistemul de control (în turbinele sovietice, pentru a menține presiunea stabilită, se folosește cel mai adesea o diafragmă de control în spatele camerei de purjare - un număr de palete de ghidare tăiate de-a lungul unui plan perpendicular pe axa turbinei; o jumătate a paletelor se rotește față de cealaltă, schimbând zona duzelor). Locul de selecție ( treapta turbinei ) este ales în funcție de parametrii de abur solicitați.
Pentru turbinele cu extracție și contrapresiune, o parte din abur este îndepărtată dintr-una sau două trepte intermediare, iar tot aburul de evacuare este direcționat de la conducta de evacuare către sistemul de încălzire sau către încălzitoarele de rețea.
Schema de funcționare a turbinei de încălzire: Aburul proaspăt (fierbinte) de la unitatea cazanului (1) este direcționat prin conducta de abur (2) către paletele de lucru ale cilindrului de înaltă presiune (HPC) al turbinei cu abur (3) . La extindere, energia cinetică a aburului este convertită în energie mecanică de rotație a rotorului turbinei, care este conectată la arborele (4) al generatorului electric (5) . În procesul de dilatare a aburului din cilindrii de medie presiune se fac extracții de încălzire și din acestea aburul este direcționat către încălzitoarele (6) ale apei de încălzire (7) . Aburul evacuat din ultima treaptă intră în condensator, unde este condensat, apoi este trimis înapoi prin conducta (8) către unitatea cazanului folosind pompa (9) . Cea mai mare parte a căldurii primite în cazan este utilizată pentru încălzirea apei din rețea.
Turbinele cu abur pentru scopuri speciale funcționează de obicei cu căldura reziduală de la fabricile metalurgice, de construcții de mașini și chimice. Acestea includ turbine cu abur mototolite (gasate), turbine cu două presiuni și turbine din amonte (foreshalt).
Adesea, turbinele cu abur staționare au extracții controlate sau necontrolate de abur din treptele de presiune pentru încălzirea regenerativă a apei de alimentare .
Turbinele cu abur pentru scopuri speciale nu sunt construite în serie, cum ar fi turbinele de condensare și încălzire, dar în cele mai multe cazuri sunt fabricate conform comenzilor individuale.
În industria energiei electrice, micile unități generatoare sunt înțelese ca unități cu o capacitate mai mică de 10 MW. În prezent, în Rusia, ca și în alte țări cu economie de piață, problema alimentării cu energie electrică a întreprinderilor și așezărilor din zonele îndepărtate unde nu există o sursă de energie centralizată este foarte acută. Pentru vechile scheme cu generare diesel devin extrem de scumpe pe măsură ce prețul motorinei crește. Problema racordării noilor întreprinderi mici și mijlocii la sursa de alimentare este uneori acută, atunci când nu există rezerve de capacități electrice pentru acestea. În acest caz, se stabilește întotdeauna ce este mai ieftin: să construiești rețele noi la liniile principale de transport a energiei electrice și să te conectezi la ele la tarifele inginerilor energetici locali și apoi să primești energie la prețurile lor sau să construiești propria ta centrală mică autonomă și fi complet independent energetic. În acest caz, centralele electrice mici cu abur care funcționează cu combustibil solid ieftin pot furniza întotdeauna energie electrică mai ieftină decât inginerii energetici își propun să primească de la rețea.
Dar pe această cale de alimentare autonomă, există întotdeauna problema costului unei centrale electrice cu abur mici. Odată cu scăderea dimensiunilor totale ale unei centrale electrice cu abur cu o turbină, eficiența termodinamică a acesteia scade, iar prețul pentru 1 kW de putere agregată crește. Deci prețul pentru centralele electrice cu abur cu turbine cu abur pe ciclul ORC al producătorului italian TURBODEN este de aproximativ 3 mii de euro pe 1 kW de capacitate instalată. Și eficiența unei astfel de instalații costisitoare pentru electricitate este foarte mică - doar 18%.
Încercările de a realiza centrale electrice cu abur mici standard cu turbine cu abur au fost întotdeauna limitate de eficiența slabă a unor astfel de centrale. De exemplu, în cartea lui F. Boyko „Locomotive cu abur de transport industrial” se indică faptul că la mijlocul anilor 50, turbogeneratorul unei locomotive cu abur de 1 kW consuma 100 kg de abur la 1 kWh de putere (eficiență - 1%% ), iar în cartea P. Chernyaev „Centrale electrice de nave și funcționarea lor” (manual pentru universități) - se indică faptul că la mijlocul anilor 70 principalele centrale electrice cu abur cu turbine au atins o eficiență de 35%, dar aburul navei mici unitățile de putere cu o capacitate de 15 - 50 kW (pentru acționarea mecanismelor auxiliare ale navei) consumau până la 30 kg de abur pe oră la 1 kW de putere, ceea ce este de 5 ori mai rău decât mașina principală. Dificultatea turbinelor mici de a atinge valori de eficiență ridicate, care sunt tipice pentru turbinele mari, constă în modificarea raportului dintre vitezele aburului care iese din duze și vitezele circumferențiale ale palelor turbinei, ca și diametrele rotoarele turbinelor mici scad. De aceea, turbinele mici cu abur sunt rareori folosite în generarea autonomă, distribuită de energie.