Parní turbína je turbína, ve které se jako pracovní tekutina používá vodní pára získaná ohřevem vody v parních kotlích . [jeden]
Parní turbína je jedním z prvků zařízení parní turbíny (STP).
Parní turbína a elektrický generátor tvoří turbínovou jednotku .
Parní turbína se skládá ze dvou hlavních částí. Rotor s lopatkami je pohyblivá část turbíny. Stator s tryskami je pevnou součástí.
Podle směru proudění páry se rozlišují axiální parní turbíny, u kterých se proud páry pohybuje podél osy turbíny, a radiální , ve kterých je směr proudění páry kolmý a lopatky rotoru jsou rovnoběžné s osou turbíny. osa otáčení.
Podle počtu válců se turbíny dělí na jednoválcové a dvou-tří-, čtyř-pětiválcové. Víceválcová turbína umožňuje využití velkých dostupných teplotních rozdílů entalpie tím, že pojme velký počet tlakových stupňů, použití vysoce kvalitních materiálů ve vysokotlakých částech a rozdělení proudu páry ve středotlaké a nízkotlaké části. Taková turbína se ukazuje jako dražší, těžší a složitější. Proto se ve výkonných parních turbínách používají vícekazetové turbíny.
Podle počtu hřídelů se rozlišují jednohřídelové, dvouhřídelové, méně často tříhřídelové, spojené společným tepelným procesem nebo společné ozubené kolo (reduktor). Uspořádání hřídelí může být jak koaxiální, tak paralelní - s nezávislým uspořádáním os hřídelí.
Na předním konci hřídele je instalován limitní regulátor (bezpečnostní regulátor), který automaticky zastaví turbínu při zvýšení otáček o 10-12% nad jmenovité.
P1 h1 s1 - tlak, entalpie a entropie páry na vstupu do turbíny ;
P2 h2 s2 - tlak, entalpie a entropie odpadní páry na výstupu z turbíny ;
1 - expanze páry v turbíně ;
2 - sytá pára ;
3 - voda ve stavu nasycení ( vroucí );
4 je izoterma počáteční teploty ;
5 je izoterma konečné teploty ;
6 je izobar počátečního tlaku ;
7 je izobara konečného tlaku ;
8 - kritický bod
(v kritickém bodě se celý objem vody přemění na páru (mizí rozdíl mezi kapalnou a plynnou fází vody).) ;
9 - křivka konstantní vlhkosti páry .
V závislosti na povaze tepelného procesu se parní turbíny dělí do 3 hlavních skupin:
Kondenzační parní turbíny slouží k přeměně maximální možné části tepla páry na mechanickou práci . Pracují s vypouštěním (odtahem) odpadní páry do kondenzátoru (odtud název), ve kterém je udržován podtlak . Kondenzační turbíny jsou stacionární a dopravní.
Stacionární turbíny jsou vyráběny na stejné hřídeli jako alternátory . Takové jednotky se nazývají turbogenerátory . Tepelné elektrárny , které mají kondenzační turbíny, se nazývají kondenzační elektrárny ( CPP ). Hlavním konečným produktem takových elektráren je elektřina . Jen malá část tepelné energie je využívána pro vlastní potřebu elektrárny a někdy i pro zásobování teplem blízké osady . Obvykle je to vesnice energetických inženýrů. Je prokázáno, že čím větší je výkon turbogenerátoru, tím je ekonomičtější a tím nižší jsou náklady na 1 kW instalovaného výkonu. Proto jsou na kondenzačních elektrárnách instalovány turbínové generátory se zvýšeným výkonem.
Otáčky rotoru stacionárního turbogenerátoru jsou úměrné frekvenci elektrického proudu 50 Hertzů ( synchronní stroj ). Tedy u dvoupólových generátorů 3000 ot/min, u čtyřpólových generátorů respektive 1500 ot/min. Frekvence elektrického proudu je jedním z hlavních ukazatelů kvality dodávané elektrické energie . Moderní technologie umožňují udržovat frekvenci sítě s přesností 0,2 % (GOST 13109-97). Prudký pokles elektrické frekvence má za následek odpojení od sítě a nouzové zastavení pohonné jednotky , ve kterém je pozorována podobná porucha.
V závislosti na účelu mohou být parní turbíny elektráren základní, nesoucí konstantní hlavní zatížení; špičkový, krátkodobý provoz pro pokrytí špiček zatížení; pomocné turbíny, které splňují potřeby elektrárny v elektřině. Od základních je vyžadována vysoká účinnost při zatíženích blízkých plnému (asi 80 %), od špičkových - schopnost rychlého nastartování a uvedení do provozu, od pomocných turbín - zvláštní spolehlivost v provozu. Parní turbíny pro elektrárny mají flotilový zdroj 270 tisíc hodin s dobou obratu 4-5 let.
Dopravní parní turbíny se používají jako hlavní a pomocné motory na lodích a lodích. Opakované pokusy byly dělány k použití parních turbín na lokomotivách , nicméně, parní turbínové lokomotivy nebyly široce používány. Pro připojení rychloběžných turbín s vrtulemi , které vyžadují malé (od 100 do 500 ot./min) otáčky, se používají převodovky . Na rozdíl od stacionárních turbín (kromě turbodmychadel) pracují námořní turbíny s proměnnou rychlostí, určenou požadovanou rychlostí plavidla.
Schéma činnosti kondenzační turbíny: Čerstvá (horká) pára z kotlové jednotky (1) parním potrubím (2) vstupuje do pracovních lopatek parní turbíny (3) . Při expanzi se kinetická energie páry přeměňuje na mechanickou energii otáčení rotoru turbíny, který je umístěn na stejné hřídeli (4) s elektrickým generátorem (5) . Odpadní (zmačkaná) pára z turbíny je přiváděna do kondenzátoru (6) , ve kterém se po ochlazení do stavu vody výměnou tepla s cirkulující vodou (7) chladicího rybníka , chladicí věže nebo nádrže potrubím (8) je pomocí čerpadla ( 9) vrácen zpět do kotlové jednotky . Většina přijaté energie se spotřebuje na výrobu elektřiny.
Kogenerační parní turbíny slouží k současné výrobě elektrické a tepelné energie. Tepelné elektrárny, ve kterých jsou instalovány parní turbíny na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny, se nazývají kombinované tepelné elektrárny ( CHP ). Kogenerační parní turbíny zahrnují turbíny s:
U protitlakých turbín se veškerá odpadní pára využívá k technologickým účelům (vaření, sušení, vytápění). Elektrický výkon vyvíjený turbínovou jednotkou s takovou parní turbínou závisí na potřebě výroby nebo topného systému pro ohřev páry a mění se s tím. Protitlaká turbína je proto obvykle provozována paralelně s kondenzační turbínou nebo elektrickou sítí, která pokrývá vzniklý výpadek výkonu .
U turbín s řízeným odběrem se část páry odebírá z jednoho nebo dvou mezistupňů a zbytek páry jde do kondenzátoru. Tlak odebírané páry je udržován ve stanovených mezích řídicím systémem (u sovětských turbín se k udržení nastaveného tlaku nejčastěji používá regulační membrána za odvzdušňovací komorou - řada vodicích lopatek řezaných po rovině kolmé k osa turbíny; jedna polovina lopatek se otáčí vůči druhé a mění plochu trysek). Místo výběru ( stupeň turbíny ) se volí v závislosti na požadovaných parametrech páry.
U turbín s odsáváním a protitlakem je část páry odváděna z jednoho nebo dvou mezistupňů a veškerá odpadní pára je odváděna z výfukového potrubí do topného systému nebo do síťových ohřívačů.
Schéma činnosti topné turbíny: Čerstvá (horká) pára z kotlové jednotky (1) je vedena parovodem (2) k pracovním lopatkám vysokotlakého válce (HPC) parní turbíny (3) . Při expanzi se kinetická energie páry přeměňuje na mechanickou energii otáčení rotoru turbíny, který je připojen k hřídeli (4) elektrogenerátoru (5) . V procesu expanze páry ze středotlakých válců se provádějí odběry ohřevu a z nich je pára směrována do ohřívačů (6) topné vody (7) . Odpadní pára z posledního stupně vstupuje do kondenzátoru, kde dochází ke kondenzaci, a poté je pomocí čerpadla (9) vrácena potrubím (8) zpět do kotlové jednotky . Většina tepla přijatého v kotli se spotřebuje na ohřev vody v síti.
Parní turbíny pro speciální účely obvykle pracují na odpadní teplo z hutních, strojírenských a chemických provozů. Patří mezi ně zmačkané (přiškrcené) parní turbíny, dvoutlaké turbíny a předřazené turbíny.
Stacionární parní turbíny mají často řízené nebo neřízené odběry páry z tlakových stupňů pro regenerativní ohřev napájecí vody .
Parní turbíny pro speciální účely nejsou stavěny sériově jako kondenzační a topné turbíny, ale ve většině případů jsou vyráběny podle individuálních zakázek.
V elektroenergetice se malými výrobními jednotkami rozumí jednotky s výkonem menším než 10 MW. V současné době je v Rusku, stejně jako v jiných zemích s tržní ekonomikou, otázka zásobování podniků a osad v odlehlých oblastech, kde není centralizované zásobování energií, velmi akutní. Staré systémy s výrobou nafty jsou totiž extrémně drahé, protože cena nafty roste. Akutní je někdy i otázka připojování nových malých a středních podniků k napájení, kdy pro ně nejsou zásoby elektrických kapacit. V tomto případě je vždy stanoveno, co je levnější: vybudovat nové sítě k hlavním přenosovým vedením elektřiny a připojit se k nim za tarify místních energetiků a následně odebírat energii za jejich ceny, nebo postavit vlastní autonomní malou elektrárnu a být zcela energeticky nezávislý. Malé parní elektrárny na levná pevná paliva v tomto případě vždy dokážou poskytnout elektřinu levněji, než energetici navrhují přijímat ze sítě.
Ale na této cestě autonomního napájení je vždy otázka nákladů na malou parní elektrárnu. Se zmenšováním celkových rozměrů parní elektrárny s turbínou klesá její termodynamická účinnost a roste cena za 1 kW agregovaného výkonu. Takže cena za parní elektrárny s parními turbínami na cyklu ORC italského výrobce TURBODEN je asi 3 tisíce eur za 1 kW instalovaného výkonu. A účinnost tak drahé instalace na elektřinu je velmi malá - pouze 18%.
Pokusy o vytvoření standardních malých parních elektráren s parními turbínami byly vždy limitovány nízkou účinností takových elektráren. Například v knize F. Bojka "Průmyslové dopravní parní lokomotivy" je naznačeno, že v polovině 50. let turbogenerátor parní lokomotivy o výkonu 1 kW spotřeboval 100 kg páry na 1 kWh výkonu (účinnost - 1%% ), a v knize P. Chernyaev „Lodní elektrárny a jejich provoz“ (učebnice pro vysoké školy) - je uvedeno, že v polovině 70. let dosahovaly hlavní parní elektrárny s turbínami účinnosti 35 %, ale malá lodní pára pohonné jednotky o výkonu 15 - 50 kW (pro pohon pomocných lodních mechanismů) spotřebovaly na 1 kW výkonu až 30 kg páry za hodinu, což je 5x horší než hlavní stroj. Obtížnost malých turbín při dosahování vysokých hodnot účinnosti, které jsou typické pro velké turbíny, spočívá ve změně poměru rychlostí páry vytékající z trysek a obvodových rychlostí lopatek turbíny jako průměrů rotorů malých turbín klesá. To je důvod, proč se malé parní turbíny v autonomní, distribuované výrobě elektřiny používají jen zřídka.