Тема 9. Паровые турбины Типы паровых турбин; стандартные параметры пара; виды потерь в проточной части турбины; баланс энергии и структура кпд турбинной ступени.

Анализ потерь в характерных сечениях турбины; работа турбинной ступени в переменном режиме; понятие о диаграмме переменных режимов паровой турбины.

Основы регулирования мощности паровых турбин; принципиальные схемы паротурбинных установок.

Паровые турбины

Основные определения.

Паротурбинная установка обеспечивает преобразование тепловой энер­гии пара в механическую энергию и вклю­чает в общем случае паровую турбину, конденсационное устройство, регенератив­ные подогреватели питательной воды, деа­эратор, конденсатные и питательные насосы.

Паровая турбина применяется в качестве двигателя для различных машин: электрического генератора, воздуходувок, насосов, гребных винтов и т. д. Принци­пиальная схема паротурбинной установки для привода электрического генератора приведена на рис. 1-1.

Паровые турбины по способу использования отработавшего пара выполняются следующих типов:

1. конденсационные;

2. противодавленческие;

3. конденсационные с одним или двумя регулируемыми отборами пара;

4) противодавленческие с регулируемым отбором пара.

Условная система обозначений (по ГОСТ -18-69). Обозначение типа турбины состоит из буквенной и цифровой частей. В буквенной части применяются следующие обозначения:

К—турбина конденсационная;

Р — турбина противодавленческая;

П — турбина конденсационная с регу­лируемым производственным отбором пара [давление в отборе 4—1Б кгс/см² (0,39—1,47 МПа)];

Т—турбина конденсационная с регули­руемым отопительным (теплофика­ционным) отбором пара 0,7 — 2,5 кгс/см² (0,069 — 0,24 МПа).

В цифровой части обозначения вначале приводится значение номинальной и макси­мальной мощности в тысячах киловатт, затем давление свежего пара перед турбиной; в турбинах с противодавлением, а также в турбинах с регулируемым производствен­ным отбором пара приводится также вели­чина противодавления и давления в отборе. ГОСТ 3618-69 предусматривает выпуск в СССР стационарных паровых турбин для привода электрических генераторов, тип ко­торых указан в табл. 7-1—7-4.

ГОСТ 3618-69 распространяется на паро­вые турбины мощностью от 2,5 до 800 кВт на абсолютное давление пара от 35 до 240 кгс/см³ (3,43—23,5 МПа) для привода электриче­ских генераторов с номинальной частотой вращения 3000 об/мин. Стандарт не распро­страняется на турбины для атомных элек­тростанций, а также на турбины с двумя промышленными отборами пара, на турбины с промежуточным вводом пара и турбины специального назначения. Для указанных турбин установленные названным стандар­том параметры следует рассматривать как рекомендуемые.

Номинальное давление пара, поступаю­щего из турбины на промежуточный пере­грев, а также пределы отклонения от его

номинального значения должны устанавли­ваться техническими условиями на поставку турбины.

Согласно ГОСТ 3618-69 под номи­нальной мощностью турбины понимается:

1) для конденсационных турбин и тур­бин с противодавлением без регулируемых отборов пара (типов К и Р) — наибольшая мощность, которую турбина должна дли­тельно развивать на зажимах генератора при номинальных значениях всех других основных параметров и при использовании нерегулируемых отборов пара для внешних потребителей тепла, предусмотренных тех­ническими требованиями;

Рис. 1-1. Схема паротурбинной установки.

/ — парогенератор; 2 — пароперегреватель основ­ной; 3 — промежуточный пароперегреватель; 4 — цилиндр высокого давления; 5 — цилиндр низко­го давления; 6 — электрический генератор; 7 — конденсатор; 8 — конденсатный насос; 9, 10 — по­догреватели низкого давления; // — дренажный насос; 12 — деаэратор; 13 — питательный насос; 14 — подогреватель высокого давления.

2) для конденсационных турбин и тур­бин с противодавлением с одним или двумя регулируемыми отборами пара (типов П, Т, ПТ и ПР)— наибольшая мощность, которую турбина должна длительно развивать на за­жимах генератора при номинальных значе­ниях всех других основных параметров, а также при отклонениях отдельных из них, допускаемых указанным стандартом.

Под максимальной мощностью турбины понимается:

1. для конденсационных турбин без ре­гулируемых отборов пара (типа К) — наи­большая мощность, которую турбина должна длительно развивать на зажимах генератора при номинальных значениях всех других основных параметров, при чистой проточной части и при отсутствии отбора пара для внешних потребителей тепла;

для конденсационных турбин с одним или двумя регулируемыми отборами (ти­пов П, Т и ПТ) и для всех

турбин с про­ тиводавлением (типов Р и ПР) — наиболь­шая мощность, которую турбина должна длительно развивать на зажимах генератора при изменениях количества отбираемого пара, а также при отклонениях от номи­нальных значений давлений пара в отборах или противодавления в пределах, допускае­мых названным стандартом, и при номиинальных значениях всех других основных параметров.

Начальными параметрами пара называются его давление и темпера­тура перед стопорным клапаном турбины.

Давлением регулируемого отбора называется давление пара в отбор­ном патрубке турбины перед запорной за­движкой.

Температурой пара после промежуточного перегрева на­зывается температура пара при входе в соот­ветствующий приемный патрубок турбины.

Величиной отбора называется количество пара, которое отдается турби­ной для внешнего теплового потребления, кроме расхода пара на регенеративный по­догрев питательной воды.

Под номинальными величи­нами отборов пара понимаются ве­личины отборов, которые должны обеспечи­ваться при номинальной мощности турбины, номинальных значениях всех остальных па­раметров и минимальном расходе пара в конденсатор (определяемом предельно до­пустимой температурой выхлопного патрубка турбины) для турбин типов Т и ПТ или при максимальном расходе пара для турбин типов П и ПР.

Классификация паровых турбин

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

  Чисто конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Эти паровые турбины работают с выпуском отработавшего пара в конденсатор, где поддерживается вакуум. Чисто конденсационные паровые турбины могут быть стационарными или транспортными. Стационарные паровые турбины в соединении с генераторами переменного электрического тока (турбогенераторы)— основное оборудование конденсационных электростанций. Чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее и тем ниже стоимость 1 квт установленной мощности. Поэтому мощность паровых турбин растет из года в год и к 1974 достигла 1200 Мвт в агрегате [при давлении свежего пара до 35 Мн/м² (1 нlm² =10^-5кгс/см²) и температуре до 650 °С]. Принятая в СССР частота электрического тока 50 гц требует, чтобы частота вращения П. т., непосредственно соединённой с двухполюсным генератором, равнялась 3000 об/мин. В зависимости от назначения паровые турбины для 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 паровых турбин требуется высокая экономичность на нагрузках, близких к полной (около 80%), от пиковых паровых турбин — возможность быстрого пуска и включения в работу, от паровых турбин собственных нужд — особая надёжность в работе. Все паровые турбины для электростанций рассчитываются на 100 тыс. ч работы (до капитального ремонта).

  Транспортные паровые турбины используются в качестве главных и вспомогательных двигателей на кораблях и судах. Неоднократно делались попытки применить паровые турбины на локомотивах, однако паротурбовозы распространения не получили. Для соединения быстроходных паровые турбины с гребными винтами, требующими невысокой (от 100 до 500 об/мин) частоты вращения, применяют зубчатые редукторы. В отличие от стационарных паровых турбин (кроме турбовоздуходувок), судовые паровые турбины работают с переменной частотой вращения, определяемой необходимой скоростью хода судна.

  Теплофикационные паровые турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. К ним относятся паровые турбины с противодавлением, с регулируемым отбором пара, а также с отбором и противодавлением. У П. т. с противодавлением весь отработавший пар используется для технологических целей (варка, сушка, отопление). Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой паровой турбины, зависит от потребности производства или отопительной системы в греющем паре и меняется вместе с ней. Поэтому турбоагрегат с противодавлением обычно работает параллельно с конденсационной паровой турбиной или электросетью, которые покрывают возникающий дефицит в электроэнергии. В паровых 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 П. т.) выбирают в зависимости от нужных параметров пара. У паровых 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. Давление пара паровых турбин для отопительных целей обычно составляет 0,12 Мн/м², а для технологических нужд (сахарные, деревообрабатывающие, пищевые предприятия) 0,5—1,5 Мн/м².

 Паровые турбины специального назначения обычно работают на отбросном тепле металлургических, машиностроительных, и химических предприятий. К ним относятся паровые турбины мятого пара, двух давлений и предвключённые (форшальт). Паровые турбины мятого пара используют отработавший пар поршневых машин, паровых молотов и прессов, имеющий давление немного выше атмосферного. Паровые турбины двух давлений работают как на свежем, так и на отработавшем паре паровых механизмов, подводимом в одну из промежуточных ступеней. Предвключённые паровые турбины представляют собой турбины с высоким начальным давлением и высоким противодавлением; весь отработавший пар этих паровых турбин направляют в другие паровые турбины с более низким начальным давлением пара. Необходимость в предвключённых П. т. возникает при модернизации электростанций, связанной с установкой паровых котлов более высокого давления, на которое не рассчитаны ранее установленные на электростанции паровые турбины.

 Паровые турбины специального назначения не строят сериями, как конденсационные и теплофикационные паровые турбины, а в большинстве случаев изготовляют по отдельным заказам.

  Все стационарные паровые турбины имеют нерегулируемые отборы пара из 2—5 ступеней давления для регенеративного подогрева питательной воды. В СССР установлено 4 ступени начальных параметров пара: давление 3,5 Мн/м², температура 435 °С для П. т. мощностью до 12 Мвт; 9 Мн/м², 535 °С для паровых турбин до 50 Мвт; 13 Мн/м², 565 °С для паровых турбин до 100 Мвт и 24 Мн/м², 565 °С для паровых турбин мощностью 200 и 300 Мвт. Давление отработавшего пара 3,5—5 кн/м². Удельный расход тепла от 7,6 кдж/(втч) у самых мощных паровых турбин до 13 кдж/(вт/ч) у небольших конденсационных турбин.

.Конструкция паровых турбин

По направлению движения потока пара различают аксиальные паровые турбины, у которых поток пара движется вдоль оси турбины, и радиальные паровые турбины, направление потока пара в которых перпендикулярно, а рабочие лопатки расположены параллельно оси вращения. В СССР строили только аксиальные паровые турбины .По числу корпусов (цилиндров) паровые турбины подразделяют на однокорпусные и 2—3-, редко 4-корпусные. Многокорпусная конструкция позволяет использовать большие располагаемые перепады энтальпии, разместив большое число ступеней давления, применить высококачественные металлы в части высокого давления и раздвоение потока пара в части низкого давления; однако такая паровая турбина получается более дорогой, тяжёлой и сложной. По числу валов различают одновальные паровые турбины, у которых валы всех корпусов находятся на одной оси, и 2-, редко 3-вальные, состоящие из 2 или 3 параллельно размещенных одновальных паровых турбин, связанных общностью теплового процесса, а у судовых паровых турбин — также общей зубчатой передачей (редуктором).

  Неподвижную часть паровых турбин — корпус — выполняют разъёмной в горизонтальной плоскости для возможности монтажа ротора. В корпусе имеются выточки для установки диафрагм, разъём которых совпадает с плоскостью разъёма корпуса. По периферии диафрагм размещены сопловые каналы, образованные криволинейными лопатками, залитыми в тело диафрагм или приваренными к нему. В местах прохода вала сквозь стенки корпуса установлены концевые уплотнения лабиринтового типа для предупреждения утечек пара наружу (со стороны высокого давления) и засасывания воздуха в корпус (со стороны низкого). Лабиринтовые уплотнения устанавливают в местах прохода ротора сквозь диафрагмы во избежание перетечек пара из ступени в ступень в обход сопел. На переднем конце вала устанавливают предельный регулятор (регулятор безопасности), автоматически останавливающий паровую турбину при увеличении частоты вращения на 10—12% сверх номинальной. Задний конец ротора снабжают валоповоротным устройством с электрическим приводом для медленного (4—6 об/мин) проворачивания ротора после останова паровой турбины, что необходимо для равномерного его остывания.