Что такое турбина с противодавлением

6. Турбины для комбинированной выработки теплоты и электроэнергии

В теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) для комбинированной выработки электрической энергии и теплоты широко при­меняют теплофикационные турбины с противодавлением и тур­бины с регулируемыми отборами пара. Оценка преимуществ комбинированной выработкой теплоты и электроэнергии была дана в разделе 1. 4.

6.1 Турбины с противодавлением

Схема турбины с противодавлением (типа Р) показана на рис.6.1.

Рис 6.1 Схема турбины с противодавлением:

1-тепловой потребитель, 2-редукционно-охладительная установка, 3,5-турбины с противодавлением и конденсационная,4-генераторы,

Пар с начальными параметрами р₀, t_o подводится из кот­ла в турбину 3, где расширяется до давления р_п, и, покидая его, направляется к тепловому потребителю 1. Для отопительных ус­тановок (сетевых подогревателей-бойлеров) давление пара р_п=70-250кПа, а для промышленных целей он колеблется в бо­лее широких пределах: от 0,4—0,7 до 1,3—1,8 МПа.

Поскольку весь покидающий турбину пар используется тепло­вым потребителем, электрическая мощность паротурбинной ус­тановки определяется этим расходом пара, задаваемым потре­бителем теплоты:

N_э = DH₀ η_oi .

Так как в большинстве случаев графики потребления тепло­вой и электрической энергии не совпадают, то турбина, работая по тепловому графику, не может полностью обеспечить потреби­телей электроэнергией. Поэтому в современных энергетических системах турбины с противодавлением работают не изолирован­но, а параллельно с конденсационными турбинами 5. При этом турбина с противодавлением вырабатывает лишь количество электроэнергии, определяемое расходом пара, идущего теплово­му потребителю, а остальная электроэнергия вырабатывается конденсационными турбинами. Конденсационные турбины не обязательно должны быть уста­новлены на одной станции. Важ­но, чтобы их генераторы были включены в общую электриче­скую сеть.

Если в часы максимальных тепловых нагрузок расход пара, необходимый тепловым потреби­телям, превышает максимальную пропускную способность теплофи­кационной турбины, в его линию дополнительно поступает пар из редукционно-охладительной ус­тановки (РОУ) 2. Эта установка позволяет также снабжать теплового потребителя 1 паром в период остановов турбины 3. Как уже отмечалось, мощность, развиваемая турбиной с про­тиводавлением, определяется нагрузкой теплового потребителя. Это не позволяет эффективно использовать установленную мощ­ность турбогенератора и, в свою очередь, ограничивает область применения турбин с противодавлением. Допустим, что турбина с противодавлением обслуживает отопительное тепловое потреб­ление. Следовательно, в зимние месяцы, когда расход теплоты на отопление большой, турбина развивает значительную электри­ческую мощность. Летом же, когда отопление не требуется, тур­бина может оказаться совсем без нагрузки. В этом случае не только турбина, но и связанное с ней электрическое оборудова­ние не используются. Поэтому турбину с противодавлением це­лесообразно устанавливать при наличии таких тепловых потре­бителей, нагрузка которых не прерывается в течение суток и дер­жится на достаточно высоком уровне круглый год. Давление па­ра, поступающего к тепловому потребителю, необходимо, как правило, поддерживать постоянным.

Конструктивно турбина с противодавлением отличается от конденсационной только отсутствием ступеней, работающих в об­ласти низких давлений. Поэтому турбину с противодавлением выполняют так же, как ЧВД конденсационной турбины.

Паровые турбины

Паровые турбины работают следующим образом: пар, образующийся в паровом котле, под высоким давлением, поступает на лопатки турбины. Турбина совершает обороты и вырабатывает механическую энергию, используемую генератором. Генератор производит электричество.

Электрическая мощность паровых турбин зависит от перепада давления пара на входе и выходе установки. Мощность паровых турбин единичной установки достигает 1000 МВт.

В зависимости от характера теплового процесса паровые турбины подразделяются на три группы: конденсационные, теплофикационные и турбины специального назначения. По типу ступеней турбин они классифицируются как активные и реактивные.

Конденсационные паровые турбины

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).

Схема работы конденсационной турбины: Свежий (острый) пар из котельного агрегата (1) по паропроводу (2) попадает на рабочие лопатки паровой турбины (3). При расширении, кинетическая энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора турбины, который расположен на одном валу (4) с электрическим генератором (5). Отработанный пар из турбины направляется в конденсатор (6), в котором, охладившись до состояния воды путём теплообмена с циркуляционной водой (7) пруда-охладителя, градирни или водохранилища по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса (9). Большая часть полученной энергии используется для генерации электрического тока.

Теплофикационные паровые турбины

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.

Схема работы теплофикационной турбины: Свежий (острый) пар из котельного агрегата (1) по паропроводу (2) направляется на рабочие лопатки цилиндра высокого давления (ЦВД) паровой турбины (3). При расширении, кинетическая энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины, который соединен с валом (4) электрического генератора (5). В процессе расширения пара из цилиндров среднего давления производятся теплофикационные отборы, и из них пар направляется в подогреватели (6) сетевой воды (7). Отработанный пар из последней ступени попадает в конденсатор, где и происходит его конденсация, а затем по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса (9). Большая часть тепла, полученного в котле используется для подогрева сетевой воды.

Паровые турбины специального назначения

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.

Турбины с противодавлением

Экономический выигрыш у таких турбин обусловлен тем, что в конденсационных установках скрытая теплота парообразования теряется, а здесь используется для бытовых и промышленных потребителей.

Турбины, которые не только служат приводом генератора электрического тока, но и снабжают теплом внешних потребителей, получили общее название теплофикационных и разбиваются на следующие основные типы:

· Турбины с противодавлением;

· Турбины с одним регулируемым отбором пара;

· Турбины с регулируемым отбором пара и противодавлением;

· Турбины с двумя регулируемыми отборами пара.

Схема установки турбины с противодавлением изображена на рисунке 9.1.

Рисунок 9.1 Принципиальная схема установки с турбиной с противодавлением и конденсационной турбиной:

1- турбина с противодавлением; 2 — конденсационная турбина;

3 — редукционно-охладительная установка

Свежий пар подводится из парогенератора с давлением и направляется в турбину 1, где происходит расширение пара до давления . Отработавший в турбине 1 пар поступает в сетевые подогреватели (бойлеры), откуда подогретая вода идет к потребителю тепла. Для отопления применяется пар с давлением =70…250кПа, для промышленных целей требуется пар с давлением =0.4…0.7МПа, а в некоторых случаях с =1.3…1.8МПа.

Пар, проникающий в турбину 1 с противодавлением, расходуется лишь в том количестве, которое необходимо потребителю. Поэтому мощность, развиваемая турбиной с противодавлением, не является произвольной, а связана с нагрузкой теплового потребителя. Мощность турбины выражается равенством:

где — расход свежего пара;

— относительный электрический к.п.д., равный отношению электрической мощности к мощности идеальной турбины.

Поскольку к.п.д. при постоянных параметрах процесса зависит только от пропуска пара через турбину, а располагаемый теплоперепад не меняется, мощность турбины с противодавлением однозначно определяется расходом протекающего через нее пара.

Турбина с противодавлением, работая изолированно, не может полностью обеспечивать потребителей электрической энергией, так как графики потребителей электрической энергии и тепла не совпадают. Поэтому в современных энергосистемах турбины с противодавлением обычно не устанавливаются изолированно, а применяются для параллельной работы с конденсационными турбинами (рис. 9.1).

При такой работе турбина с противодавлением вырабатывает лишь ту электрическую мощность, которая определяется пропуском пара, идущего к тепловому потребителю, в то время как остальную выработку электрической энергии обеспечивают компенсационные турбины

Таким образом, работая по тепловому графику, турбина с противодавлением покрывает лишь часть электрической нагрузки; остальная электрическая нагрузка ложится на конденсационную турбину. В часы максимальных тепловых нагрузок в линию теплового потребителя добавляется редуцированный свежий пар в том случае, если расход пара, требуемый тепловым потребителям, превышает максимальную пропускную способность турбины с противодавлением. Установленный редуктор давления пара 3 позволяет также снабжать теплового потребителя паром в периоды ремонтов турбины с противодавлением.

То обстоятельство, что мощность, развиваемая турбиной с противодавлением, целиком определяется нагрузкой теплового потребителя, часто не позволяет достаточно эффективно использовать установленную мощность турбогенератора, что ограничивает область применения таких турбин (т.е. зимой из-за максимального потребления тепла мощность турбины максимальна, а летом турбина может оказаться без нагрузки). Поэтому такие турбины устанавливают вблизи постоянных потребителей тепла, например, вблизи химпроизводства.

Давление пара, идущего к тепловому потребителю, как правило, требуется поддерживать постоянным.

Для турбины с противодавлением уравнение расходов, связывающее тепловую нагрузку с противодавлением турбины, имеет вид:

где — емкость паропровода, ведущего от турбины к тепловому потребителю;

— секундный расход пара, проходящего через систему регулирующих клапанов турбины;

— секундный расход пара, отводимый к потребителю;

и — давление и температура отработавшего в турбине пара.

Уравнение (9.1) показывает, что давление отработавшего в турбине пара будет сохраняться лишь в том случае, когда количество пара G_1, прошедшего через турбину, равно количеству пара G₂, идущему к тепловому потребителю. Если , то ,то есть давление отработавшего пара растет и наоборот, если то и давление отработавшего пара понижается.

Таким образом, всякое нарушение равенства между количеством пара, идущего от турбины, и количеством пара, расходуемого тепловым потребителем, приводят к изменению давления отработавшего пара.

Для того чтобы турбина с противодавлением могла автоматически поддерживать расход пара, необходимого тепловому потребителю, турбина, помимо регулятора скорости снабжается регулятором давления.

Система регулирования при работе турбины по тепловому графику находится под воздействием регулятора давления. Лишь в том случае, если при работе по тепловому графику произойдет отключение агрегата от сети и генератор разгрузится до нуля, в работу под влиянием повышения частоты вращения вступит регулятор скорости.

В конструктивном отношении турбины с противодавлением отличаются от конденсационных только тем, что в ней нет ступеней, работающих в области низких давлений. Поэтому турбина с противодавлением выполняется так же, как часть высокого давления конденсационной турбины, и обычно состоит из ряда последующих нерегулируемых ступеней.

При выборе конструкции турбины с противодавлением (ТПД) решающее значение имеют объемный пропуск пара, на который должна быть рассчитана турбина, и график нагрузки, с которым турбина будет работать.

Поскольку в ТПД нет ступеней, работающих в области вакуума, отпадают все трудности, связанные с проектированием лопаток для больших объемных пропусков пара. Даже в ТПД, рассчитанных на очень большие массовые расходы пара, высоты последних лопаток, обычно, умеренные. Расходы пара, которые могут быть пропущены через однопоточную турбину, при ее работе с противодавлением, очень велики.

Для больших ТПД целесообразно повышение быстроходности, чтобы не увеличивать высоту лопаток при малых объемных пропусках пара.

Чем больше для всей турбины отношение давлений , где — давление свежего пара, — давление в выходном патрубке, тем сильнее сказывается потеря пара от его дросселирования в регулирующем клапане при недогрузке турбины. Поскольку в ТПД, по сравнению с конденсаторными турбинами отношение велико, дроссельное парораспределение в таких турбинах применять не рекомендуется. Чем выше , тем большее число клапанов следовало бы иметь в системах соплового парораспределения ТПД.

Однако применение соплового парораспределения само по себе еще не оправдывает характер изменения экономичности при нагрузках турбины. К.п.д. ТПД при ее недогрузках сохраняется тем устойчивее, чем больший расчетный теплоперепад принят для регулирующей ступени. При этом желательно чтоб турбина представляла как ступень скорости, когда при одной сопловой решетке преобразование кинетической энергии производится в нескольких рабочих решетках. В этом случае при идеальном сопловом парораспределении можно считать, что тепловой перепад ступени сохраняется постоянным при всех нагрузках, а следовательно, сохраняется постоянным отношение скоростей (- окружная скорость рабочей решетки ,

где — угловая скорость рабочих лопаток;

Если располагаемый теплоперепад ступени представлен как , то есть кинетическая энергия.

Выполнение ТПД в виде одной ступени нашло применение для турбин с небольшими теплоперепадами и пропуском пара, работающих при переменной в больших пределах нагрузки. Для турбин значительной мощности такая конструкция не может быть допущена в виду недостаточной ступени скорости. Поэтому наиболее распространенной для ТПД является конструкция, состоящая из регулирующей ступени и последующих нерегулируемых ступеней.

Таким образом, наилучшим вариантом ТПД является многоступенчатая конструкция, состоящая из регулируемой и нерегулируемой ступеней при использовании регуляторов как по давлению выходного пара, идущего к потребителю, так и по частоте, в зависимости от нагрузки теплового потребителя.

Основные сведения о паровых турбинах — как они работают

Перед тем, как говорить о паровой турбине, мы должны понять, что же такое паровая турбина.

Паровая турбина — это силовой двигатель, в котором происходит превращение потенциальной энергии пара в кинетическую, в дальнейшем преобразуемую в механическую энергию, создающую вращение вала.

Чтобы понять, как работает паровая турбина, важно разобраться с ее строением. Итак, паровая турбина состоит из 2-х основных частей:

• подвижной — ротора с лопатками;
• и неподвижной — статора с соплами.

Основной частью турбины является ротор, состоящий из вала, рабочего колеса, на котором крепятся рабочие лопатки изогнутой формы. Также имеется сопло перед диском с лопатками, из которого поступает пар на рабочие лопатки турбины.

В подвижной части турбины происходит преобразование потенциальной энергии сжатого и нагретого водяного пара в кинетическую. Пар через направляющие поступает на лопатки, закрепленные по окружности ротора, и воздействует на них, приводя ротор во вращение.

Для понимания принципа работы паровой турбины нужно рассмотреть работу теплоэлектростанции.

Паровая турбина сама по себе не работает. Для ее функционирования нужен пар. Теплоэлектростанция начинается с котла, в котором происходит горение топлива, отдавая жар трубам с водой. В тонких трубах дистиллированная вода превращается в пар.

На вход в турбину подается пар с очень высокой температурой и под большим давлением (от 1,2 МПа до 22,5 МПа и выше).

Пар имеет температуру 550—560 °C. Такая большая температура позволяет расширяться пару и сохранять скорость его потока.

КПД паровой турбины

КПД паровой турбины находится в прямой зависимости от ее собственного размера и от температуры пара. КПД растет при увеличении размера паровой турбины и при повышении температуры пара.

КПД паровой турбины колеблется от 20 до 40 %.

Для повышения КПД на многих электростанциях тепло, которое отбирается от паровой турбины, используется для нагревания воды. Горячая вода поступает в систему промышленного и бытового теплоснабжения.

Классификация и виды паровых турбин

Паровые турбины по характеру теплового процесса делятся на три вида:

• конденсационные;
• теплофикационные;
• теплофикационные с промышленным отбором пара;
• противодавленческие.

Конденсационные турбины называются так потому, что работают они с выпуском отработавшего пара в конденсатор. Бывают стационарными и транспортными. Такие турбины являются самыми распространенными. Они имеют маркировку «К».

Конденсаторные паровые турбины используются для выработки электричества. Такие турбины ставят на ГРЭС.

Стационарные паровые турбины используют на электрических станциях, транспортные — в качестве двигателей на морских судах.

Теплофикационные турбины одновременно дают как электрическую, так тепловую энергию. Имеют маркировку «Т». Устанавливаются обычно на ТЭЦ, где помимо выработки электрической энергии они получают тепловую энергию для отопления и горячего водоснабжения. Теплофикационные турбины бывают 3-х видов:

• с регулируемым отбором пара;
• с противодавлением;
• с отбором и противодавлением.

Теплофикационные турбины с отбором пара имеют маркировку «ПТ». В таких турбинах часть пара уходит на поддержание стороннего производства (фабрики, завода). Пар может обратно возвращаться на электростанцию в виде конденсата или полностью теряться.

Теплофикационные турбины летом могут работать в конденсационном режиме.

Турбины с противодавлением имеют маркировку «Р». В таких турбинах отсутствует конденсатор. Отработанный пар используют для варки, сушки и отопления, а также для поддержания другого производства.

На турбинах с противодавлением и отбором часть пара отводится, а отработанный — из выпускного патрубка поступает в отопительную систему или к сетевым подогревателям.

Мощность паровых турбин

Номинальная мощность турбины — это наибольшая мощность турбины, которую она может развивать длительное время.

Экономическая мощность турбины — это мощность турбины, которую она может выдавать при максимальной экономичности.

Таблица мощности паровой турбины в зависимости от КПД:

Мощность турбины, кВт	5	50	500	1000	2000	5000	10000	25000	50000	100000
КПД турбины	0,20	0,41	0,66	0,725	0,77	0,80	0,82	0,83	0,845	0,865

Мощность паровой турбины зависит от температуры пара и от поданного давления на лопасти турбины.