Паровая турбина и производство электроэнергии

Паровая турбина и производство электроэнергии

Паровая турбина представляет собой механическое устройство, преобразующее тепловую энергию пара под давлением в полезную механическую работу. Это сердце электростанции. Он имеет более высокий термодинамический КПД и более низкое отношение мощности к массе. Он получает большую часть своей термодинамической эффективности из-за использования нескольких стадий расширения пара, что приводит к более близкому приближению к идеальному обратимому процессу. Паровые турбины являются одной из самых универсальных и старейших технологий первичных двигателей, используемых для привода генератора. Производство электроэнергии с помощью паровых турбин используется уже более 100 лет. Турбогенератор представляет собой комбинацию турбины, напрямую соединенной с генератором для выработки электроэнергии. Большая часть электроэнергии вырабатывается большими паровыми генераторами.

Паровые турбины идеально подходят для конфигураций очень большой мощности, используемых на электростанциях, из-за их более высокой эффективности и более низкой стоимости. На электростанции паровая турбина соединена с генератором для выработки электроэнергии. Турбина действует как более механическая сторона системы, обеспечивая вращательное движение генератора, а генератор действует как электрическая сторона, используя законы электричества и магнетизма для производства электроэнергии.

В паровой турбине ротор представляет собой вращающийся компонент, к которому прикреплены колеса и лопасти. Лопасть — это компонент, извлекающий энергию из пара. Типовая принципиальная схема паротурбинной электростанции, работающей на ископаемом топливе, для производства электроэнергии представлена ​​на рис. 1

.

 Рис. 1. Принципиальная схема производства электроэнергии на основе паровой турбины

Процесс преобразования энергии

Пар имеет следующие три компонента энергетических компонентов

• Кинетическая энергия — благодаря скорости
• Энергия давления – благодаря давлению
• Внутренняя энергия – благодаря температуре

Последние две составляющие энергии вместе известны как энтальпия. Полную энергию пара можно представить как сумму кинетической энергии и энтальпии.

Выработка энергии с использованием паровой турбины включает три преобразования энергии:извлечение тепловой энергии из топлива и использование ее для получения пара, преобразование тепловой энергии пара в кинетическую энергию в турбине и использование роторного генератора для преобразования механической энергии турбины в электрическую энергию. .

Пар высокого давления подается на турбину и проходит вдоль оси машины через несколько рядов попеременно неподвижных и подвижных лопаток. От впускного отверстия турбины к точке выпуска лопатки и полость турбины постепенно увеличиваются, чтобы обеспечить расширение пара.

Неподвижные лопасти действуют как сопла, в которых пар расширяется и выходит с повышенной скоростью, но с более низким давлением (принцип сохранения энергии Бернулли, который заключается в том, что кинетическая энергия увеличивается по мере падения энергии давления). Когда пар воздействует на движущиеся лопасти, он передает часть своей кинетической энергии движущимся лопастям.

Турбины могут быть конденсационными, неконденсирующими, промежуточными, экстракционными или индукционными. Конденсационные турбины широко используются на электростанциях. Эти турбины выпускают пар в частично сконденсированном состоянии, обычно с качеством около 90 %, при давлении значительно ниже атмосферного в конденсатор. Неконденсационные турбины также известны как турбины с противодавлением и наиболее широко используются для технологического пара. Давление на выходе контролируется регулирующим клапаном в соответствии с потребностями давления технологического пара. Они обычно используются в отраслях, где требуется большое количество технологического пара низкого давления. Турбины с промежуточным перегревом также используются почти исключительно на электростанциях. В турбине с промежуточным перегревом поток пара выходит из секции высокого давления турбины и возвращается в котел, где добавляется дополнительный перегрев. Затем пар возвращается в секцию промежуточного давления турбины и продолжает расширяться. В экстракционной турбине пар забирается из одной или нескольких ступеней при одном или нескольких давлениях для отопления, технологического процесса или нагревателя питательной воды. Эти турбины также известны как газоотводные турбины. Потоки экстракции можно контролировать с помощью клапана или оставить без контроля. Индукционные турбины подают пар низкого давления на промежуточной ступени для производства дополнительной мощности.
Существует два основных типа паровых турбин, а именно импульсные турбины и реактивные турбины. Лопасти предназначены для управления скоростью, направлением и давлением пара, проходящего через турбину.

В импульсной конструкции ротор вращается за счет силы пара, воздействующей на лопасти, в то время как реактивная конструкция работает по принципу, согласно которому ротор получает вращательную силу от пара, покидающего лопасти.

Чтобы максимизировать эффективность турбины, пар расширяется, производя работу, в несколько этапов. Эти ступени характеризуются тем, как из них извлекается энергия, и известны как импульсные или реактивные турбины. В большинстве паровых турбин используется смесь реактивной и импульсной конструкции. Каждая ступень ведет себя либо как одна, либо как другая, но в целом турбина использует и то, и другое. Как правило, секции более высокого давления относятся к импульсному типу, а ступени более низкого давления — к реактивному типу.
Импульсная турбина имеет неподвижные сопла, которые направляют поток пара в высокоскоростные струи. Эти струи содержат значительную кинетическую энергию, которая преобразуется во вращение вала ковшеобразными лопастями ротора, когда паровая струя меняет направление. Падение давления происходит только на стационарных лопастях с чистым увеличением скорости пара на ступени. Когда пар проходит через сопло, его давление падает с входного давления до выходного давления (атмосферное давление или, чаще, вакуум в конденсаторе). Благодаря этому высокому коэффициенту расширения пара пар выходит из сопла с очень высокой скоростью. Пар, выходящий из движущихся лопастей, имеет большую часть максимальной скорости пара при выходе из сопла. Потеря энергии из-за этой более высокой скорости на выходе обычно называется скоростью переноса или потерей на выходе.

В реактивной турбине сами лопасти ротора расположены так, что образуют сужающиеся сопла. Этот тип турбины использует силу реакции, возникающую при ускорении пара через сопла, образованные ротором. Пар направляется на ротор неподвижными лопатками статора. Он выходит из статора в виде струи, заполняющей всю окружность ротора. Затем пар меняет направление и увеличивает свою скорость относительно скорости лопастей. Падение давления происходит как на статоре, так и на роторе, при этом пар ускоряется на статоре и замедляется на роторе, без чистого изменения скорости пара на ступени, но со снижением как давления, так и температуры, что отражает работу, выполняемую в ступени. привод ротора.

Два типа турбин показаны на рис. 2.

 Рис. 2. Типы турбин

Диаграмма на рис. 3 суммирует цикл паровой турбины котла.

Рис. 3. Простой цикл паровой турбины котла

Паровая турбина работает на основных принципах термодинамики с использованием цикла Ренкина, как показано на рис. 4. После выхода из котла перегретый пар поступает в турбину при высокой температуре и высоком давлении. Пар высокого давления/нагрева преобразуется в кинетическую энергию с помощью сопла (неподвижное сопло в турбине импульсного типа или неподвижные лопасти в турбине реактивного типа). Как только пар покидает сопло, он движется с большой скоростью и направляется на лопасти турбины. На лопастях создается сила из-за давления пара на лопасти, заставляющего их двигаться. Генератор или другое подобное устройство можно разместить на валу, и энергия, которая была в парах, теперь может быть сохранена и использована. Газ выходит из турбины в виде насыщенного пара при более низкой температуре и давлении, чем при входе, и направляется в конденсатор для охлаждения.

Рис. 4. T-s-диаграмма цикла Ренкина

Выхлопной пар из турбины конденсируется в воду в конденсаторе, который извлекает из пара скрытую теплоту парообразования. Это приводит к тому, что объем пара становится равным нулю, резко снижая давление до условий, близких к вакууму, тем самым увеличивая перепад давления на турбине, позволяя извлекать из пара максимальное количество энергии. Затем конденсат перекачивается обратно в котел в качестве питательной воды для повторного использования.

Регулятор – это устройство, которое регулирует скорость вращения турбины. Регулирование скорости турбины с помощью регулятора необходимо, так как турбина должна разгоняться медленно, чтобы предотвратить повреждение, а для выработки электроэнергии переменного тока требуется точное регулирование скорости. Неконтролируемое ускорение ротора турбины может привести к отключению по превышению скорости, что приведет к закрытию сопловых клапанов, регулирующих подачу пара к турбине. Если это не удается, турбина может продолжать разгоняться до тех пор, пока не сломается, часто катастрофически. В современных турбинах есть электронный регулятор, который использует датчик для контроля скорости турбины, «смотря» на зубья ротора.

Паровая турбина приводит в действие генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую. Генератор представляет собой синхронную машину с вращающимся полем. Паровые турбины напрямую связаны со своими генераторами. Генераторы должны вращаться с постоянными синхронными скоростями в соответствии с частотой электроэнергетической системы. Наиболее распространенная скорость составляет 3000 об/мин для системы питания с частотой 50 Гц. Эффективность преобразования энергии этих генераторов большой мощности может достигать 98 % или 99 % для очень большой машины.