Турбины и генераторы

Паровые турбины представляют собой основной тип тепловых машин (двигателей), служащих для привода электрических генераторов современных тепловых электростанций. По сравнению с другими типами тепловых двигателей (паровыми машинами, двигателями внутреннего сгорания и газовыми турбинами) паровые турбины имеют ряд существенных преимуществ:

· постоянная частота вращения вала,

· возможность получения частоты вращения, одинаковой с частотой вращения электрогенератора,

· экономичность работы

· большая концентрация единичных мощностей в одном агрегате.

· относительная простота в обслуживании

· способность изменять рабочую мощность в широком диапазоне электрической нагрузки.

Принцип действия паровой турбины заключается в преобразовании тепловой энергии пара, поступающего из парогенератора, в кинетическую энергию потока пара, который, воздействуя на рабочее колесо турбины, приводит его во вращение, отдавая при этом часть своей энергии.

Принципиальная схема работы пара в турбине показана на рис. Поступающий из парогенератора к турбине пар сначала проходит через сопло 1, где его потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию потока, после чего с большой скоростью направляется на рабочие лопатки 2, расположенные на ободе диска (ротора) 4 или специального барабана, закрепленного на валу турбины 3.

По направлению потока пара различают осевые, или аксиальные, турбины, в которых поток направлен вдоль оси ротора, и радиальные, в которых поток направлен от центра к периферии ротора.

	турбина аксиальная: 1 —сопло; 2— лопатки; 3— вал; 4— диск;
	б - турбина радиального типа: 1 — подвод пара; 2—диски; 3, 4— рабочие лопатки; 5,6 – валы; 7, 8 – корпус.

Рабочие лопатки имеют изогнутую форму и в совокупности образуют систему криволинейных каналов (так называемую рабочую решетку). При повороте потока пара в каналах таких решеток возникают центробежные и реактивные силы, вращающие диск (ротор) и связанный с ним вал, соединенный через специальную муфту с электрическим генератором (или другим рабочим механизмом, например насосом, компрессором, воздуходувкой и т.п.).

В конструкции турбины выделяют два основных элемента: сопловые каналы (сопловые решетки) и рабочие колеса с лопатками, образующие рабочие решетки. Сопловый аппарат вместе с соответствующими рабочими лопатками образуют ступень давления. Рассмотренную простейшую турбину называют одноступенчатой. При работе современных ТЭС перепады теплоты в турбинах высоких начальных и низких конечных параметров пара могут достигать больших значений — 1200—1500 кДж/кг. Поэтому для создания мощных и эффективных агрегатов применяют многоступенчатые турбины. На рис. показана схема активной турбины с тремя ступенями давления (дискового типа).

Рис. Активная турбина с тремя ступенями давления: а — изменение давления пара и абсолютной скорости пара; б — поперечный разрез турбины; 1, 9—камеры свежего и отработавшего пара; 2, 4, 6 — сопла; 3, 5, 8— рабочие лопатки; 7—диафрагма

Если преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую происходит только в сопловых решетках, то такой принцип работы пара в турбине называют активным, а соответствующие ступени турбин — активными ступенями. Если же преобразование потенциальной энергии пара происходит не только в сопловых (неподвижных), но и во вращающихся рабочих решетках, то такой принцип действия пара называют реактивным, а соответствующие ступени — реактивными.

Паровые турбины бывают двух типов:

- с противодавлением (когда давление пара на выходе турбины выше атмосферного);

- конденсационные (когда давление пара на выходе турбины ниже атмосферного).

Применение конденсатора на выходе турбины позволяет увеличить электрическую ффективность, но практически сводит к нулю последующее использование отходящего тепла.

В зависимости от характера теплового процесса ПТ обычно подразделяют на 3 основные группы: чисто конденсационные, теплофикационные и специального назначения.

Каждая турбина обозначается шифром, состоящим из трех частей:

1. буквенная, характеризует тип турбины

· К – конденсационная без отбора пара;

· Т – теплофикационная, с регулируемым отбором пара;

· П – производственная, с регулируемым отбором пара;

· Р – с противодавлением.

2. цифровая часть шифра дает номинальную мощность турбины (тыс. кВт).

3. Третья часть шифра обозначает давление свежего пара.

У турбин типов П и Р третья часть шифра представляет собой дробь, числитель которой указывает давление свежего пара, а знаменатель — давление отборного или противодавленческого пара.

Так, например, турбина мощностью 50 тыс. кВт с начальным давлением 127,5 бар (130 ат) конденсационная обозначается К-50-130. Та же турбина, но с двумя регулируемыми отборами пара — производственным давлением ~ 7 бар и теплофикационным — обозначается ПТ-50-130/7 и т.д.

В качестве характерной конструкции паровой турбины на рис. показан продольный разрез конденсационной турбины мощностью 50 тыс кВт, п = 3000 об/мин, изготовленной ЛМЗ (Ленинградским металлическим заводом).

Рис 8.10. Продольный разрез турбины 50 тыс. кВт

Пар с начальными параметрами 9,0 МПа и 535 °С подводится по паровпускной трубе к расположенной на корпусе турбины паровой коробке 2, в которой размещены регулирующие клапаны 3. Из клапанной коробки пар через одновенечную регулирующую ступень подводится к проточной части турбины, состоящей из 21 ступени. Первые 18 ступеней имеют рабочие диски (колеса), выполненные за одно целое с валом турбины. Последующие три ступени 4 имеют диски, посаженные с натягом на вал. На ободах каждого диска укреплены рабочие лопатки.

Сопловые решетки первой регулирующей ступени укреплены в паровой коробке, приваренной к корпусу турбины 1. Диски остальных ступеней разделены неподвижными промежуточными диафрагмами 5. В каждой диафрагме размешены неподвижные сопловые решетки. Часть корпуса, охватывающая первые 14 ступеней высокого давления, выполнена в виде стальной отливки. Остальные ступени размещены в сварной части корпуса. Выхлопной патрубок турбины 6 сварен из листовой стали. В корпусе турбины предусмотрено пять патрубков для отбора пара из промежуточных ступеней турбины. Эти нерегулируемые отборы предназначены для подогрева питательной воды.

Вал ротора турбины опирается на два подшипника. Передний подшипник 11 имеет несколько более сложную конструкцию, чем задний 12, так как он помимо веса ротора воспринимает также осевые усилия, возникающие при протекании пара через лопатки ротора. Конструкция переднего подшипника дает возможность фиксировать осевое положение ротора по отношению к корпусу турбины. Такой подшипник носит название опорно-упорного.

Там, где вал турбины проходит через ее корпус, расположены два концевых уплотнения. Переднее концевое уплотнение 7, работающее в области избыточных давлений пара, служит для предотвращения утечки пара из корпуса турбины в окружающую среду. Заднее концевое уплотнение 8, работающее в области вакуума, защищает выходную часть турбины от присоса воздуха из окружающей среды, ухудшающего экономичность работы турбины и снижающего развиваемую ею мощность.

В местах, где вал проходит через расположенные между рабочими дисками перегородки-диафрагмы, установлены промежуточные уплотнения, препятствующие протечкам пара из одной ступени в другую в обход сопловых решеток. Диски рабочих колес имеют разгрузочные отверстия для выравнивания давления по обе стороны диска.

На переднем конце вала турбины распложен предельный скоростной регулятор, который предотвращает повышение частоты вращения вала турбины более чем на 10—12% сверх номинальной. Масляный насос 10 предназначен для подачи масла в систему смазки подшипников турбоагрегата, управления и привода механизма системы автоматического регулирования турбины. Масляный насос и опорно-упорный подшипник опираются на станину 9.

На противоположном конце вала размешена муфта 13, служащая для передачи крутящего момента валу генератора.

Корпус турбины, а также корпуса подшипников имеют горизонтальный разъем на уровне вала турбины в форме фланцевого соединения. Это дает возможность разборки и сборки турбины путем съема верхней части ее корпуса.

Рис. Продольный разрез реактивной турбины 20 тыс. кВт

На рис. показан продольный разрез реактивной турбины. Ротор таких турбин обычно выполнен в виде сварного барабана, а корпус не имеет диафрагм. Выполнение ротора реактивных турбин в виде барабана, а не отдельных дисков объясняется стремлением к уменьшению осевых усилий, стремящихся сдвинуть ротор в сторону движения потока пара. Эти усилия особенно велики в турбинах реактивного типа, так как давление пара по обе стороны рабочих лопаток различно. Если бы на ступенях реактивных турбин рабочие лопатки закреплялись на дисках, то эта разность давлений, действуя на всю площадь дисков, могла бы создать осевое усилие весьма большой величины. Даже при использовании в реактивных турбинах барабанных роторов осевые усилия получаются значительно большими, чем в турбинах с активными ступенями.

При барабанных роторах рабочие лопатки крепятся непосредственно на наружной поверхности барабанов, и потому нет необходимости в применении каких-либо специальных перегородок-диафрагм для размещения сопловых решеток. Лопатки последних в этом случае могут крепиться непосредственно в корпусе турбины, как это более детально показано на рис.

Рис. Крепление реактивных лопаток в корпусе и роторе турбины: 1 — неподвижные лопатки; 2 — бандаж; 3 — гребешки уплотнения

Для предотвращения протекания пара внутри ступеней в обход сопловых и рабочих решеток лопатки реактивных ступеней снабжены внутренними уплотнениями в виде гребенок, закрепленных в роторе (для сопловых) и корпусе (для рабочих лопаток).

Поскольку в реактивных турбинах осевые усилия намного больше, чем в активных, то для их восприятия применяется специальное устройство — разгрузочный поршень. Такой поршень, находящийся под давлением пара регулирующей (обычно активной) ступени турбины, выполняют большим диаметром, чем расположенную за регулирующей ступенью нерегулируемую реактивную ступень. Поэтому давление пара в камере регулирующего колеса, действующее на площадь, определяемую разностью этих диаметров, создает силу, направленную в сторону, противоположную осевому усилию, возникающему при работе турбины. Разность диаметров поршня и турбины рассчитывается таким образом, чтобы уравновесить осевые усилия, действующие вдоль ротора турбины. В остальном отдельные элементы конструкции реактивной турбины тождественны конструкции активных турбин.

Теплофикационные ПТ служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии на ТЭЦ.

Для отпуска тепловой нагрузки на нужды отопления и горячего водоснабжения устанавливают турбины типа Т (Т-100, Т-175, Т-250). При наличии на ТЭЦ промышленной и отопительной тепловых нагрузок устанавливают турбины типа ПТ, а при преимущественно промышленной - типа ПР или Р.

Резервные турбины на ТЭЦ не устанавливаются. Для резервирования отпуска теплоты промышленным потребителям применяютсяредукционно-охладительные установки, производительность которых должна покрывать отпуск пара потребителям одной из турбин. Для отопительной нагрузки резервом являются пиковые водогрейные котлы.

К теплофикационным ПТ относятся ПТ с противодавлением, с регулируемым отбором пара, а также с отбором и противодавлением.

У ПТ с противодавлением весь отработавший пар используется для технологических целей (сушка, отопление и др.). Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой ПТ, зависит от потребности производства или отопительной системы в греющем паре и меняется вместе с ней. Поэтому турбоагрегат с противодавлением обычно работает параллельно с конденсационной ПТ или электросетью, которые покрывают возникающий дефицит в электроэнергии. В ПТ 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 ПТ) выбирают в зависимости от нужных параметров пара. У ПТ с отбором и противодавлением часть пара отводится из 1 или 2 промежуточных ступеней, а весь отработавший пар направляется из выпускного патрубка в отопительную систему. Давление пара ПТ для отопительных целей обычно составляет 0,12Мн/м² (0,12 МПа), а для технологических нужд (сахарные, деревообрабатывающие, пищевые предприятия) 0,5-1,5 Мн/м².

Электрические генераторы предназначены для преобразования механической энергии вращающегося вала двигателя в электроэнергию. Генераторы могут быть синхронными или асинхронными. Синхронный генератор может работать в автономном режиме или параллельно с сетью. Асинхронный генератор может работать только параллельно с сетью. Если произошел обрыв или другие неполадки в сети, асинхронный генератор прекращает свою работу. Поэтому, для обеспечения гибкости применения распределенных когенерационных энергосистем чаще используются синхронные генераторы.

Дата добавления: 2015-06-27