В предыдущих статьях мы обсудили газовую турбину, водяную турбину и ветровую турбину. Поэтому в этой статье я объясню различные аспекты работы паровой турбины только с помощью диаграмм.
Что такое паровая турбина?
Паровая турбина — это механическое устройство, которое преобразует тепловую энергию пара в механическую работу в виде энергии вращения. Эта турбина известна как паровая, поскольку в качестве рабочей жидкости в ней используется пар. В 1884 году первая паровая турбина была открыта сэром Чарльзом А. Парсонс.
В этой турбине механическая работа генерируется с помощью вала турбины. Этот вал соединен с парогенератором, который преобразует механическую энергию вала в электрическую.
Пар имеет преимущество перед водой: количество пара очень быстро расширяется. Скорость паровой турбины прямо пропорциональна выходной мощности. Поэтому паровые турбины должны работать на самой высокой скорости, если вы хотите получить самую высокую выходную мощность. Колесные турбины не могут вращаться с высокой скоростью, как паровая турбина.
Она может достичь максимальной эффективности за счет использования кинетической энергии пара. Эти турбины имеют много преимуществ перед другими типами турбин, например: они производят недорогую электроэнергию, а энергия пара не загрязняет окружающую среду.
В силу этих причин эти турбины вытеснили поршневые двигатели в качестве первичных двигателей на крупных электростанциях. Паровые турбины работают по основному принципу термодинамики. То есть, когда пар расширяется, его температура снижается.
Принцип работы паровой турбины
Принцип работы паровой турбины очень прост. Паровая турбина работает по основному принципу цикла Ренкина.
Рис: Работа паровой турбины
Источник изображения: https://schoolworkhelper.net/
При работе паровой турбины, прежде всего, вода из внешнего источника (например, реки, моря или канала) поступает в секцию котла с помощью насоса. Затем вода в котле нагревается до очень высокой температуры, чтобы вода могла преобразоваться в пересыщенный пар.
В котле выработка пара зависит от теплоты сгорания и скорости потока, а также от используемой площади поверхности теплообмена. По мере выработки пара в котле, пар направляется в зону турбины. Фактически, в этих турбинах энергия давления пара преобразуется в К.Е. после прохождения пара через сопло.
Когда пар сталкивается с лопастями ротора, он создает динамическое давление на вал и лопасти ротора. По этой причине и вал, и лопасти начинают вращаться в одинаковом направлении. В результате этого процесса тепловая энергия пара превращается в энергию вращения лопастей ротора, и ротор начинает вращаться.
С ротором турбины соединен вал. Вал получает энергию вращения от ротора и начинает вращаться.
Генератор, называемый парогенератором, соединяется с валом через катушку. Вал вращает катушку генератора в магнитном поле. При вращении катушки в магнитном поле вырабатывается электричество, которое течет по проводам.
Благодаря простой конструкции этих турбин, вибрация намного ниже, чем у других двигателей с такой же скоростью вращения.
Типы паровых турбин
Существует множество типов паровых турбин в зависимости от их различных операций и промышленного значения. Ниже приведены самые основные типы паровых турбин:
- Турбина с центральным впуском
- Турбина с торцевым входом
- Морская турбина
- Промышленная турбина
- Турбина для коммунального хозяйства
- Турбина низкого давления
- Турбина среднего давления
- Турбина высокого давления
- Экстракционная и конденсационная турбина
- Экстракционная турбина
- Турбина противодавления
- Прямая конденсационная
- Турбина радиального потока
- Турбина осевого потока
1) На основе состояния выхлопа турбины
В этой категории паровые турбины имеют следующие три типа:
i) Конденсационные паровые турбины
В этих типах паровых турбин пар поступает в турбину через регулирующий клапан. Название конденсационной турбины означает, что пар внутри турбины не может расширяться, поскольку эта турбина предназначена для конденсации. Кроме того, на заключительном этапе лопатки намокают.
Отработанный пар конденсируется в конденсаторе, и конденсатор превращает этот пар в воду. Этот конденсат снова используется в котле для выработки пара. Эти турбины наиболее распространены на гидроэлектростанциях.
ii) Паровая турбина противодавления
В этой турбине пар в турбине расширяется не полностью. После частичного использования тепловой энергии пара внутри турбины весь пар выпускается при определенной температуре и давлении.
Параметры пара на выходе определяются в соответствии с требованиями технологического процесса.
iii) Экстракционно-конденсационная турбина
Экстракционно-конденсационная турбина имеет два впускных клапана. Первая ступень турбины известна как «ступень высокого давления (HP)», а вторая — как «ступень низкого давления (LP)».
По завершении стадии HP часть пара выпускается. Оставшийся пар поступает на ступень НД, где происходит его дальнейшая конденсация при низком давлении.
2) Типы в соответствии с процессом теплоотдачи
В этой категории паровые турбины имеют следующие типы:
i) Конденсационная турбина с генератором
В турбинах этого типа пар направляется в камеру конденсатора при давлении ниже атмосферного.
В этой турбине пар, выходящий из промежуточной ступени, используется для нагрева питательной воды. Скрытое тепло отработанного пара в процессе конденсации полностью теряется.
ii) Конденсационные турбины с различными промежуточными ступенями отбора
В этом типе паровых турбин пар отводится из промежуточной ступени и используется для промышленного отопления.
iii) Турбины с противодавлением
В турбине с противодавлением отработанный пар используется для отопления или промышленных нужд. Также возможно использование турбины с пониженным вакуумом, в которой выхлопной поток может использоваться для отопления и переработки. Эти турбины также известны как нерасширяющиеся турбины.
Механическая энергия турбины используется для работы механических или электрических устройств, таких как компрессоры, вентиляторы, насосы и т.д. Эти паровые турбины имеют простую конфигурацию. Им требуется очень малое количество охлаждающей воды или ее отсутствие.
Эти турбины имеют низкую цену по сравнению с экстракционными паровыми турбинами. Паровая турбина противодавления не отдает тепло во время конденсации, поэтому она имеет высокий КПД.
Рис: Турбина противодавления
iv) Турбина верхнего давления
В турбине верхнего давления отработанный пар используется в конденсационных турбинах низкого и среднего давления. Турбины топпинга работают в условиях более высокой начальной температуры и давления пара и используются в основном для увеличения мощности электростанций.
Рис: Цикл турбины верхнего строения
3) Типы в зависимости от условий пара на входе в турбину
В этой категории паровые турбины имеют следующие типы:
i) Турбины сверхкритического давления
В этих турбинах используется пар с давлением более 225 атм.
ii) Турбина сверхвысокого давления
В них используется температура 550° C или более и давление пара 170 атм или более.
iii) Турбина высокого давления
В ней используется пар с давлением более 40 атм.
iv) Турбина среднего давления
Эти турбины потребляют пар давлением до 40 атм.
v) Турбины низкого давления
Эти типы паровых турбин используют пар с давлением от 1,2 атм до 2 атм.
4) Типы паровых турбин в зависимости от промышленного применения
В соответствии с промышленным применением, паровая турбина имеет следующие типы.
i) Стационарные турбины с постоянной скоростью
Эти турбины в основном используются для привода генераторов переменного тока.
ii) Стационарные турбины с переменной скоростью
Эти турбины используются для питания насосов, воздушных циркуляторов, турбовентиляторов и т.д.
iii) Переходная турбина с переменной скоростью вращения
Эти турбины обычно используются на железнодорожных локомотивах, кораблях и пароходах.
5) Типы по конструкции лопаток
По конструкции лопаток паровые турбины делятся на два основных типа.
- Реактивная турбина
- Импульсная турбина
i) Реактивная турбина
Основная статья: Реакционная турбина
В случае реакционной турбины пар проходит через лопатки. Затем он расширяется как на подвижных, так и на неподвижных лопатках турбины. Подвижные и неподвижные лопатки имеют постоянный перепад давления.
Реакционные турбины немного отличаются от импульсных турбин, которые состоят из неподвижных сопел и подвижных лопаток. По сравнению с импульсными турбинами, реакционные турбины имеют меньший перепад давления на ступень. Реакционная турбина, как правило, более эффективна.
Примером реакционной турбины является турбина Парсона. Реакционная турбина требует в два раза больше рядов лопаток, чем импульсная турбина, для преобразования одной и той же тепловой энергии. Поэтому реакционные турбины получаются более тяжелыми и длинными.
ii) Импульсная турбина
Основная статья: Импульсная турбина
Она включает в себя известные типы паровых турбин. В случае импульсной турбины пар выходит из неподвижных сопел с очень высокой скоростью и ударяется о неподвижные лопатки вокруг ротора.
Лопатка отклоняет поток пара без изменения давления. Вал турбины вращается за счет изменения импульса.
В этих турбинах пар, который впрыскивается с очень высокой скоростью из неподвижного сопла, ударяется о лопатки, прикрепленные к ротору. Лопасть изменяет траекторию потока пара без изменения давления пара.
Сила, возникающая в результате изменения крутящего момента, заставляет вал турбины вращаться.
Компоненты паровой турбины
- Корпус
- Лопатки ротора
- Ротор
- Гувернер
- Вращающиеся шестерни
- Часовой клапан
- Кольцо форсунки и реверсивная лопасть в сборе
1) Корпус
Корпус несет на себе все рабочие нагрузки малого и большого веса. В корпусе находятся ротор, лопасти, регулятор и многие другие внутренние компоненты.
Он спроектирован таким образом, чтобы минимизировать тепловую нагрузку. Он обеспечивает безопасность всех внутренних частей паровой турбины.
2) Ротор
Ротор имеет несколько ковшей, которые вращаются при движении ротора. Он имеет вал. Одна сторона вала используется для подключения насоса с приводом, а другой конец вала используется для регулятора скорости и системы быстрого отключения скорости.
Это ключевая часть паровой турбины, которая преобразует тепловую энергию пара в механическую энергию.
3) Лопатки
Эти лопатки используются для извлечения энергии высокоскоростного пара и передачи ее ротору. Конструкция этих лопаток играет важную роль в эффективности турбины.
4) Регулятор
Система регулятора — это система управления, зависящая от скорости, которая устанавливается в паровой турбине. Она также известна как контроллер. Она используется для управления скоростью турбины.
Клапан регулятора устанавливается для управления скоростью турбины путем изменения потока пара через турбину. Он имеет систему серводвигателей, противовес с пружинным возвратом и паровой клапан.
Этот компонент турбины регистрирует скорость вращения вала турбины через прямой узел или магнитный импульс от шестерни.
Изменение условий на выходе и входе паровой турбины и изменение мощности, требуемой от насоса, вызывают изменения в скорости вращения турбины. Это изменение скорости вызывает перестановку грузов регулятора, а затем и клапанов регулятора.
5) Лабиринтное уплотнение
Лабиринтное уплотнение — это метод уменьшения утечек со стороны высокого давления на сторону низкого давления путем пропускания небольшой утечки. Пространство между валом и лабиринтом поддерживается настолько малым, насколько это возможно.
6) Сопловое кольцо и реверсивная лопатка в сборе
Сопловое кольцо устанавливается на нижней внутренней половине корпуса парового конца. Сопло устанавливается внутри соплового кольца. Оно направляет пар из паровой камеры к 1-му ряду лопаток ступени Кертиса. Ступень Кертиса содержит два ряда лопаток.
Узел реверсивной лопатки чаще всего устанавливается между рядами лопаток ступени Кертиса. Этот узел крепится к кольцу форсунки. Основная функция узла реверсивной лопатки заключается в реверсировании потока пара, когда пар выходит из лопаток ступени Кертиса в 1-м ряду и направляет пар в лопатки 2-го ряда ступени Кертиса.
7) Дозорный клапан
Дозорный клапан работает как предупреждающее устройство. Он устанавливается на верхней части корпуса выходного конца турбины и показывает, что давление в корпусе выходного конца турбины слишком высокое.
Когда давление в корпусе становится больше определенного уровня рабочего давления, дозорный клапан выпускает небольшое количество пара в окружающую среду. Во время этой утечки данный клапан издает слышимый шум. Вы не можете использовать этот клапан в качестве предохранительного клапана.
8) Вращающиеся шестерни
Эти шестерни обычно используются в больших турбинах. Эта шестерня медленно вращает ротор во время процесса нагрева и охлаждения. Это необходимо для поддержания практически равномерной температуры ротора или вала по всему периметру для сохранения прямолинейности и баланса.
Эффективность паровой турбины
Многие аспекты влияют на эффективность паровой турбины, включая размер и тип турбины, а также температуру, давление пара на входе и выхлопе. Он также зависит от расхода пара.
Паровые турбины лучше всего подходят для крупных тепловых электростанций. Существуют различные размеры паровых турбин мощностью до 1,5 ГВт для выработки электроэнергии.
Как рассчитать эффективность паровой турбины
- Импульсная реактивная турбина
- Реакционная паровая турбина
Эти оба типа паровых турбин работают на разных принципах, как обсуждалось выше. Поэтому они имеют разный КПД, но приведенная ниже формула позволяет рассчитать КПД этих турбин:
В приведенном выше уравнении входная кинетическая энергия изменяется в зависимости от абсолютной скорости пара на входе в турбину. В то время как выполненная работа зависит от многих факторов, таких как относительная скорость пара, уменьшение количества тепла пара в турбине, угол лопатки и угол направляющей лопатки на входе в турбину.
В некоторых случаях, из-за этих факторов, очень трудно рассчитать выполненную работу, а иногда невозможно точно рассчитать некоторые специфические характеристики, такие как давление, температура и скорость пара.
- КПД лопатки (ɳb)
- КПД ступени (ɳs)
Скорость пара используется для расчета КПД лопатки (ɳb). В отличие от этого, изменение энтальпии пара используется для расчета КПД ступени (ɳs). Энтальпия характеризует теплоемкость пара.
В обоих случаях угол наклона лопатки на входе обозначается α1 , и он играет важную роль в эффективности турбины. Косинус этого угла выполняет центральную функцию в определении КПД импульсных и реактивных паровых турбин.
На приведенной ниже диаграмме представлен КПД лопаток для импульсных и реактивных турбин.
Рисунок: КПД лопаток реакционных и импульсных паровых турбин
Приведенная выше диаграмма ясно показывает, что импульсная турбина менее эффективна, чем реакционная паровая турбина.
Наибольшая эффективность импульсной турбины может быть достигнута при установке угла наклона входной лопатки на ноль. Это связано с тем, что такой угол минимизирует трение за счет уменьшения площади поверхности лопатки.
Вы также можете соединить несколько турбин последовательно, чтобы максимизировать энергию пара до того, как пар будет возвращен в конденсатор. Метод расчета эффективности ступени лучше всего работает при таком типе турбинной сборки.
Формула КПД паровой турбины
КПД паровой турбины может быть рассчитан по следующим формулам:
Изэнтропический КПД :- Это отношение между фактической работой и изэнтропической работой турбины.
Электрический КПД ТЭЦ :- Это соотношение между чистой выработанной электроэнергией и общим количеством топлива в котле. Для его расчета используется следующее уравнение:
Электрический КПД КУ = Чистая выработанная электроэнергия/Общее количество топлива в котле.
Общий КПД ТЭЦ :- Он используется для измерения электроэнергии и пара, произведенных из общего количества топлива в котле. Общий КПД ТЭЦ может быть рассчитан по следующей формуле.
Общий КПД ТЭЦ = (чистый пар на переработку + чистая выработанная электроэнергия)/общее количество топлива в котле
Как повысить эффективность паровой турбины
- Для уменьшения потерь на дросселирование можно также использовать переливные кольца.
- Потери на трение могут быть снижены за счет использования высокоэффективных лопаток/сопел.
- Для снижения давления в выхлопном патрубке может быть использована перегородка.
- Конкретные свойства, используемые в конкретном применении, обычно основаны на компромиссе между капитальными инвестициями и стоимостью производства пара в течение срока службы турбины. Таким образом, это метод оптимизации.
- В водоподогревателе, при определенных условиях, расширенный пар извлекается турбиной. После извлечения этот пар используется для нагрева воды непосредственно перед передачей в турбину. В системе водяного подогревателя энергия извлеченного пара возвращается в систему, и потери от холодного источника намного меньше, чем в простом цикле Ренкина. Кроме того, процесс экстракции завершается в различных фазах. Теоретически, эффективность электростанции прямо пропорциональна количеству стадий отбора пара. Если стадий отбора пара больше, то КПД электростанции будет выше.
P-V диаграмма паровой турбины
Паровая турбина работает на основе цикла Ранкина. Цикл Ренкина — это идеальный термодинамический цикл теплового двигателя, который преобразует тепловую энергию в механическую работу при фазовом переходе.
Парогенератор работает следующим образом :-
- Изэнтропическое сжатие :- На приведенной выше диаграмме линия 1-2 представляет собой изэнтропическое сжатие. В этом цикле жидкость перекачивается из низкого давления в высокое. Во время этого процесса насосу требуется очень низкая мощность для перекачки жидкости.
- Изобарический подвод тепла :- Линия 2-3 представляет изобарический процесс подвода тепла. Вода под высоким давлением поступает в котел, где она нагревается с помощью внешнего источника тепла при постоянном давлении для преобразования в сухой насыщенный пар.
- Изэнтропическое расширение :- Линия 3-4 представляет процесс изэнтропического расширения. Во время этого процесса сухой насыщенный пар расширяется турбиной для производства электроэнергии. В этом процессе происходит конденсация из-за снижения давления и температуры паровых паров.
- Изобарический отвод тепла :- Линия 4-1 представляет изобарический процесс отвода тепла. Во время этого процесса влажные водяные пары поступают в конденсатор, где они конденсируются в насыщенную жидкость при постоянном давлении.
Преимущества и недостатки паровой турбины
Паровая турбина имеет следующие преимущества и недостатки:
Преимущества паровых турбин
- Это тип вращающегося теплового двигателя, который особенно подходит для привода генераторов.
- Поршневые двигатели имеют низкий тепловой КПД по сравнению с паровыми генераторами.
- Отношение мощности к весу очень высокое по сравнению с поршневыми двигателями.
- У этих турбин мало оборотных компонентов по сравнению с поршневым двигателем.
- Эти турбины лучше всего подходят для больших тепловых электростанций. Существуют турбины различных размеров мощностью до 1,5 ГВт для выработки электроэнергии.
- Как правило, пар содержит большое количество энтальпии (особенно в виде теплоты парообразования). Это означает, что пар имеет меньший массовый расход по сравнению с газовыми турбинами.
- Паровые турбины более надежны, особенно в тех случаях, когда требуется постоянная высокая производительность.
- Электроэнергия, производимая паровой турбиной, имеет относительно низкую стоимость.
Недостатки паровых турбин
- Высокая начальная стоимость.
- В режиме частичной нагрузки КПД этой турбины ниже, чем у поршневого двигателя.
- Время запуска больше, чем у газовой турбины, и больше, чем у поршневого двигателя.
- По сравнению с поршневым двигателем и газовой турбиной, она меньше реагирует на изменения в спросе на энергию.
Области применения паровых турбин
- Эти турбины используются в производстве электроэнергии.
- Они используются в возобновляемых источниках энергии
- Они также используются для производства электроэнергии с помощью пара.
- Они используются на заводах по переработке отходов.
- Паровые турбины используются в нефтегазовых компаниях.
- Эти генераторы также используются в обрабатывающей промышленности.
- Эти турбины используются в ракетах, самолетах и кораблях для создания силовой установки.
Преимущества паровых турбин перед паровыми двигателями
- Более высокая тепловая эффективность.
- Отсутствие возвратно-поступательных компонентов для идеального баланса и отсутствие необходимости в тяжелом фундаменте.
- С паровой турбиной возможен высокоскоростной диапазон.
- Смазка очень проста, так как отсутствуют компоненты трения.
- Не требуется маховик, поскольку скорость выработки энергии равномерна.
- В случае паровой турбины потребление пара низкое.
- Во время работы паровые турбины требуют меньше внимания и более компактны.
- Лучше всего подходят для крупных электростанций.
- Отказ от таких деталей, как шатуны, крестовины, поршневые штоки и поршни, значительно упрощает конструкцию и эксплуатацию и снижает затраты на техническое обслуживание.
- Возможна значительная перегрузка, но общий КПД снижается незначительно.
Раздел часто задаваемых вопросов
какое изменение энергии происходит между парогенератором и турбиной?
Между турбиной и парогенератором тепловая энергия превращается в механическую энергию (энергию вращения). Благодаря этой энергии вращения ротор турбины начинает вращаться, что приводит к вращению катушки генератора, а генератор преобразует механическую энергию в электрическую.
На каком цикле работает паровая турбина
Паровая турбина работает на основе цикла Ренкина.
Кто изобрел паровую турбину?
В 1884 году первая паровая турбина была открыта сэром Чарльзом А. Парсонс.
Из каких частей состоит паровая турбина?
- Корпус
- Лабиринтное уплотнение
- Кольцо сопла и узел реверсивных лопаток
- Ротор
- Гувернер
- Вращающиеся шестерни
- Часовой клапан
- Лопатки ротора
Какие существуют типы паровых турбин?
- Турбина с центральным впуском
- Турбина с торцевым входом
- Морская турбина
- Промышленная турбина
- Турбина для коммунального хозяйства
- Турбина низкого давления
- Турбина среднего давления
- Турбина высокого давления
- Экстракционная и конденсационная турбина
- Экстракционная турбина
- Турбина противодавления
- Прямая конденсационная
- Турбина радиального потока
- Турбина осевого потока
Мы подробно рассмотрим принцип работы паровой турбины и некоторые другие аспекты. Итак, я надеюсь, что вам стали ясны все понятия, связанные с этой темой. Если вам нужна еще какая-либо помощь по этой теме, дайте мне знать в поле для комментариев. Я постараюсь сделать все возможное, чтобы дать вам хороший ответ.
Читать далее
17 мыслей на «Что такое паровая турбина | Как работает паровая турбина?»
Конечно, какой фантастический сайт и познавательные посты, я сохраню ваш сайт в закладках.Best Regards!
