Parní turbína

Parní turbína je druh motoru, ve kterém se energie páry přeměňuje na mechanickou práci.
Parní turbína se skládá ze dvou hlavních částí – rotoru s lopatkami (pohyblivá část turbíny) a statoru s tryskami (nehybná část).

V parní turbíně se potenciální energie stlačené nebo ohřáté páry (obvykle vody) přeměňuje na kinetickou energii, která se zase přeměňuje na mechanickou energii otáčením hřídele turbíny – pára generovaná zařízením parního kotle vstupuje (přes speciální vedení) na lopatky turbíny upevněné po obvodu rotoru a vede k jeho otáčení.

Turbíny jsou:

• Kondenzace – určená k přeměně maximální možné části tepla páry na mechanickou energii. Existují stacionární a transportní.
• Kogenerace – určená k výrobě elektrické a tepelné energie.
• Speciální účel – pracují na odpadní teplo z různých typů podniků (pára, výfuky atd.).

Parní turbíny, stejně jako pístové motory, se používají jako pohony pro různá zařízení:

• K pohonu turbogenerátorů se obvykle používají stacionární parní turbíny – jsou instalovány na stejné hřídeli jako generátory. Za konečný produkt systému se považuje především elektřina. Tepelná energie se využívá jen z malé části. Parní turbíny pro elektrárny mají přidělený zdroj 270 tisíc hodin s generální opravou po dobu cca 4 let.
• Kogenerační parní turbíny jsou určeny k současné výrobě elektrické i tepelné energie (podobně jako kogenerační elektrárny na bázi plynových pístových motorů). Takové systémy se nazývají kombinované tepelné a elektrické elektrárny (CHP). Elektrický výkon vyvíjený turbínovou jednotkou s takovou parní turbínou závisí na skutečném výrobním zatížení nebo jeho potřebě páry. Kogenerace proto obvykle funguje paralelně s elektrickou sítí, která pokrývá vznikající nedostatek elektřiny.
• Dopravní parní turbíny se používají jako hlavní a přídavné motory na lodích a plavidlech. Na rozdíl od většiny stacionárních turbín pracují dopravní parní turbíny s proměnlivou rychlostí v závislosti na požadované rychlosti lodi.

Hlavní rozdíly mezi turbínovým a pístovým motorem.

Parní turbíny a pístové motory mají řadu významných rozdílů souvisejících s konstrukčními prvky. Tyto rozdíly významně ovlivňují volbu jednoho nebo druhého principu činnosti hnacího motoru v různých systémech:

• Elektrická účinnost v elektrárnách. Nejvyšší elektrické účinnosti – až 34 % u turbíny a 42 % nebo více u plynového pístového motoru – je dosaženo při provozu při 100% zatížení. Při snížení zátěže na 50 % se elektrická účinnost plynové turbíny sníží téměř 2krát (50 %). U plynového pístového motoru povede stejná změna podmínek zatížení ke snížení účinnosti pouze o 4–5 %.
• Jmenovitý výkon pístového motoru i turbíny závisí na nadmořské výšce místa nad hladinou moře a okolní teplotě. Při zvýšení teploty z –30 °C na +30 °C se elektrická účinnost turbíny sníží o 15–20 %. Na rozdíl od turbíny pístový motor prakticky nemění svou elektrickou účinnost v daném teplotním rozsahu.
• Počet startů: turbínu je v důsledku náhlých změn tepelného namáhání, které vzniká v nejkritičtějších součástech a částech horké dráhy při spouštění bloku ze studeného stavu, vhodnější použít k pokrytí základního zatížení, které nezahrnuje zastaví a spustí, protože každé spuštění vede ke snížení přiděleného zdroje.
• Pístový motor lze nastartovat a zastavit neomezeně mnohokrát, což nemá vliv na jeho životnost. Pro pokrytí špičkového zatížení je proto vhodnější pístový motor.
• Zdroj před generální opravou u turbíny je asi 30 000 provozních hodin (asi 4 roky), u pístového motoru je to 60 000 hodin provozu (asi 8 let).
• Náklady na generální opravu turbíny s přihlédnutím k nákladům na náhradní díly a materiál jsou o něco vyšší než oprava pístové jednotky – vyžaduje podstatně méně finančních a lidských zdrojů.
• Větší opravy lze provádět pouze na speciálně připraveném stánku (obvykle v závodě výrobce), na rozdíl od plynového pístového motoru, který lze opravit na místě.
• Provozní náklady u kogeneračních jednotek s pístovými stroji jsou nižší než u kogeneračních jednotek s turbínami. Ostré skoky v grafu motoru s plynovou turbínou naznačují zásadní opravy motoru. Provozní náklady GPD nemají takové skoky.
• Konstrukce tepelných elektráren na pístových motorech s elektrickým výkonem do 15 MW je zpravidla nižší než na turbínách. Je to způsobeno složitější instalační a technologickou částí, která vyžaduje použití páry.

Pro výkony přesahující 15 MW elektrického výkonu je výstavba tepelných elektráren zpravidla účelnější na bázi turbín, protože celkové rozměry a náklady pístových elektráren o velkém jednotkovém výkonu převyšují ekonomický efekt jejich použití. ve srovnání s turbínami

Vědci se stále snaží najít nejúčinnější způsoby výroby elektřiny – pokrok spěchal od galvanických článků k prvním dynamovým, parním, jaderným a nyní i solárním, větrným a vodíkovým elektrárnám. V dnešní době zůstává nejrozšířenějším a nejpohodlnějším způsobem výroby elektřiny generátor poháněný parní turbínou.

Parní turbíny byly vynalezeny dlouho předtím, než člověk pochopil podstatu elektřiny. V tomto příspěvku zjednodušeně popíšeme konstrukci a provoz parní turbíny a zároveň si připomeneme, jak starověký řecký vědec předběhl dobu o patnáct století, jak došlo k revoluci v konstrukci turbín a proč se Toshiba domnívá, že třicetimetrová turbína by se měla vyrábět s přesností 0,005 mm.

Jak funguje parní turbína

Princip fungování parní turbíny je poměrně jednoduchý a její vnitřní struktura se více než jedno století zásadně nezměnila. Abychom pochopili, jak funguje turbína, podívejme se, jak funguje tepelná elektrárna – místo, kde se fosilní paliva (plyn, uhlí, topný olej) přeměňují na elektřinu.

Parní turbína sama o sobě nefunguje, ke svému fungování potřebuje páru. Elektrárna tedy začíná kotlem, ve kterém spaluje palivo a odevzdává teplo do potrubí naplněných destilovanou vodou, které prochází kotlem. V těchto tenkých trubkách se voda mění v páru.

Přehledné schéma provozu tepelné elektrárny, která vyrábí elektřinu i teplo pro vytápění domů. Zdroj: Mosenergo

Turbína je hřídel (rotor) s radiálně uspořádanými lopatkami, jako velký ventilátor. Za každým takovým kotoučem je stator – podobný kotouč s lopatkami jiného tvaru, který je upevněn nikoli na hřídeli, ale na samotném těle turbíny a zůstává tedy nehybný (odtud název – stator).

Dvojice jednoho rotačního disku s lopatkami a statorem se nazývá stupeň. V jedné parní turbíně jsou desítky stupňů – průchod páry pouze jedním stupněm neroztočí hřídel těžké turbíny o hmotnosti od 3 do 150 tun, takže stupně jsou seskupeny postupně, aby z páry vytěžily maximum potenciální energie.

Pára o velmi vysoké teplotě a pod vysokým tlakem je přiváděna na vstup do turbíny. Turbíny se podle tlaku páry dělí na nízkotlaké (do 1,2 MPa), střední (do 5 MPa), vysoké (do 15 MPa), ultravysoké (15-22,5 MPa) a nadkritické (nad 22,5 MPa). Pro srovnání, tlak uvnitř láhve šampaňského je asi 0,63 MPa a v pneumatice automobilu je to 0,2 MPa.

Čím vyšší tlak, tím vyšší je bod varu vody a tím i teplota páry. Pára přehřátá na 550-560 °C je přiváděna na vstup do turbíny! Proč tolik? Pára při průchodu turbínou expanduje, aby udržela rychlost proudění a ztrácí teplotu, takže je potřeba rezerva. Proč páru nepřehřívat výše? Až donedávna to bylo považováno za extrémně obtížné a zbytečné – zatížení turbíny a kotle se stalo kritickým.

Parní turbíny pro elektrárny mají tradičně více válců s lopatkami, které jsou napájeny vysokotlakou, střední a nízkotlakou párou. Pára nejprve prochází vysokotlakým válcem, roztáčí turbínu a zároveň mění své parametry na výstupu (klesá tlak i teplota), poté jde do středotlakého válce a odtud do nízkotlakého. Faktem je, že parní stupně s různými parametry mají různé velikosti a tvary lopatek, aby bylo možné efektivněji extrahovat energii páry.

Je tu ale problém: když teplota klesne k bodu nasycení, pára se začne sytit, a to snižuje účinnost turbíny. Aby se tomu zabránilo, v elektrárnách se pára za vysokotlakým válcem a před vstupem do nízkotlakého válce znovu ohřívá v kotli. Tento proces se nazývá mezipřehřátí (přehřátí).

V jedné turbíně může být několik středotlakých a nízkotlakých válců. Pára k nim může být přiváděna buď od okraje válce, procházející postupně všemi lopatkami, nebo od středu, rozbíhající se směrem k okrajům, což vyrovnává zatížení hřídele.

Rotující hřídel turbíny je spojen s elektrickým generátorem. Aby měla elektřina v síti požadovanou frekvenci, musí se hřídele generátoru a turbíny otáčet přesně definovanou rychlostí – v Rusku má proud v síti frekvenci 50 Hz, turbíny pracují s 1500 nebo 3000 otáčkami za minutu.

Zjednodušeně lze říci, že čím vyšší je příkon elektrárny, tím více generátor odolává otáčení, takže je třeba do turbíny dodávat více páry. Regulátory otáček turbíny okamžitě reagují na změny zatížení a řídí průtok páry tak, aby byla zachována konstantní rychlost turbíny. Pokud dojde k poklesu zatížení sítě a regulátor nesníží objem přiváděné páry, turbína rapidně zvýší rychlost a zkolabuje – v případě takové havárie lopatky snadno prorazí skříň turbíny, střechu tepelné elektrárny a rozletí se od sebe na vzdálenost několika kilometrů.

Jak vznikly parní turbíny

Kolem 18. století př. n. l. již lidstvo zkrotilo energii živlů a přeměnilo ji na mechanickou energii pro vykonávání užitečné práce – to byly babylonské větrné mlýny. Do 2. století př. Kr. E. V římské říši se objevily vodní mlýny, jejichž kola poháněl nekonečný proud vody z řek a potoků. A to již v 1. století našeho letopočtu. E. Člověk využil potenciální energii vodní páry a použil ji k uvedení člověkem vytvořeného systému do pohybu.

Aeolipile of Heron of Alexandria byla první a jediná reaktivní parní turbína na dalších 15 století. Zdroj: American Mechanical Dictionary / Wikimedia

Řecký matematik a mechanik Heron Alexandrijský popsal bizarní mechanismus zvaný aeolipile, což byla koule upevněná na ose s trubicemi vybíhajícími z ní pod úhlem. Vodní pára, přiváděná do koule z vroucího kotle, byla vytlačena z trubek, což způsobilo rotaci koule. Stroj vynalezený Heronem se tehdy zdál jako zbytečná hračka, ale ve skutečnosti starověký vědec zkonstruoval první parní proudovou turbínu, jejíž potenciál byl doceněn až o patnáct století později. Moderní replika eolipila vyvine rychlost až 1500 otáček za minutu.

V 1629. století Heronův zapomenutý vynález částečně zopakoval syrský astronom Takiyuddin al-Shami, jen se místo koule dalo do pohybu kolo, na které foukala pára přímo z kotle. V roce XNUMX navrhl podobnou myšlenku italský architekt Giovanni Branca: proud páry by roztáčel lopatkové kolo, které by bylo možné upravit pro mechanizaci pily.

Aktivní parní turbína Branca odvedla alespoň nějakou užitečnou práci – „zautomatizovala“ dva minomety.

Přes popisy několika vynálezců strojů, které přeměňovaly energii páry na práci, mělo k užitečnému provedení ještě daleko – tehdejší technologie neumožňovala vytvořit parní turbínu s prakticky využitelným výkonem.

Turbínová revoluce

Po mnoho let si švédský vynálezce Gustaf Laval pohrával s myšlenkou vytvořit motor, který by dokázal otáčet nápravou obrovskou rychlostí – to bylo nutné pro provoz Lavalova separátoru mléka. Zatímco separátor byl ovládán „ručním pohonem“: převodový systém převáděl 40 otáček za minutu na rukojeti na 7000 otáček v separátoru. V roce 1883 se Lavalovi podařilo adaptovat Heronův aeolipile a vybavit separátor mléka motorem. Myšlenka to byla dobrá, ale vibrace, hrozná cena a nehospodárnost parní turbíny donutily vynálezce vrátit se k výpočtům.

Lavalovo turbínové kolo se objevilo v roce 1889, ale jeho design přežil dodnes téměř beze změny.

Po letech trýznivého testování byl Laval schopen vytvořit jednokotoučovou aktivní parní turbínu. Pára byla přiváděna pod tlakem na kotouč s lopatkami ze čtyř trubek s tryskami. Pára, která se rozpíná a zrychluje v tryskách, naráží na lopatky disku a tím uvádí disk do pohybu. Vynálezce následně vyrobil první komerčně dostupné turbíny o výkonu 3,6 kW, napojil turbíny na dynama pro výrobu elektřiny a také si nechal patentovat mnoho inovací v konstrukci turbín, včetně jejich dnes tak nedílné součásti, jako je parní kondenzátor. Navzdory obtížnému začátku to pro Gustafa Lavala později dopadlo dobře: opustil svou předchozí společnost vyrábějící separátory, založil akciovou společnost a začal zvyšovat kapacitu jednotek.

Souběžně s Lavalem prováděl svůj výzkum v oblasti parních turbín Angličan Sir Charles Parsons, který dokázal Lavalovy myšlenky přehodnotit a úspěšně doplnit. Zatímco první používal ve své turbíně jediný lopatkový disk, Parsons patentoval vícestupňovou turbínu s několika postupně umístěnými disky a o něco později přidal do konstrukce statory, aby vyrovnal proudění.

Parsonsova turbína měla tři válce v sérii pro vysokotlakou, středotlakou a nízkotlakou páru s různou geometrií lopatek. Jestliže Laval spoléhal na aktivní turbíny, Parsons vytvořil reaktivní skupiny.

V roce 1889 Parsons prodal několik stovek svých turbín pro elektrifikaci měst a o pět let později byla postavena experimentální loď Turbinia, která vyvinula rychlost 63 km/h, dříve nedosažitelnou pro parní stroje. Na začátku XNUMX. století se parní turbíny staly jedním z hlavních motorů rychlé elektrifikace planety.

Turbinia je nyní vystavena v muzeu v Newcastlu. Poznamenejte si počet šroubů. Zdroj: TWAMWIR / Wikimedia

Turbíny Toshiba: Cesta dlouhá staletí

Rychlý rozvoj elektrifikovaných železnic a textilního průmyslu v Japonsku donutil vládu reagovat na zvýšenou spotřebu elektřiny výstavbou nových elektráren. Zároveň byly zahájeny práce na návrhu a výrobě japonských parních turbín, z nichž první byly dodávány pro potřeby země již ve 1920. letech XNUMX. století. Do toho se zapojila i Toshiba (v té době: Tokio Denki a Shibaura Seisaku-sho).

První turbína Toshiba byla uvedena na trh v roce 1927, měla skromný výkon 23 kW. Během dvou let opustily továrny Toshiby všechny parní turbíny vyrobené v Japonsku a byly spuštěny jednotky o celkovém výkonu 7500 1966 kW. Mimochodem, Toshiba také dodala parní turbíny pro první japonskou geotermální elektrárnu, otevřenou v roce 1997. Do roku 100000 měly všechny turbíny Toshiba kombinovanou kapacitu 2017 200000 MW a do roku XNUMX vzrostly dodávky natolik, že ekvivalentní kapacita byla XNUMX XNUMX MW.

Tento požadavek je způsoben precizností výroby. Rotor o hmotnosti až 150 tun se otáčí rychlostí 3600 otáček za minutu, jakákoli nevyváženost povede k vibracím a nehodám. Rotor je vyvážen s přesností na 1 gram a geometrické odchylky by neměly přesáhnout 0,01 mm od cílových hodnot. CNC zařízení pomáhá snižovat odchylky ve výrobě turbíny na 0,005 mm – to je rozdíl s cílovými parametry, který je mezi zaměstnanci společnosti Toshiba považován za dobrou formu, ačkoli přípustná bezpečná chyba je řádově větší. Také každá turbína musí projít zátěžovým testem při vysokých otáčkách – u agregátů s 3600 otáčkami za minutu test zahrnuje zrychlení na 4320 otáček.

Dobrá fotografie, která pomůže pochopit rozměry nízkotlakých stupňů parní turbíny. Před vámi je tým nejlepších řemeslníků ze závodu Toshiba Keihin Product Operations. Zdroj: Toshiba

Účinnost parních turbín

Na parních turbínách je dobré to, že s rostoucí velikostí se výrazně zvyšuje generovaný výkon a účinnost. Je mnohem ekonomicky výhodnější instalovat jeden nebo více bloků ve velké tepelné elektrárně, ze které je elektřina distribuována na velké vzdálenosti přes hlavní sítě, než stavět lokální tepelné elektrárny s malými turbínami o výkonu od stovek kilowattů až po několik megawattů. Faktem je, že při zmenšení rozměrů a výkonu se cena turbíny na kilowatt několikrát zvýší a účinnost klesne dvakrát až třikrát.

Elektrická účinnost kondenzačních turbín s dohřevem se pohybuje na úrovni 35-40%. Účinnost moderních tepelných elektráren může dosáhnout 45 %.

Porovnáme-li tato čísla s výsledky z tabulky, ukáže se, že parní turbína je jedním z nejlepších způsobů, jak pokrýt velké potřeby elektřiny. Dieselové motory jsou „domácím“ příběhem, větrné turbíny drahé a málo výkonné, vodní elektrárny velmi drahé a vázané na lokalitu a novým a spíše mobilním způsobem výroby elektřiny jsou vodíkové palivové články, o kterých jsme již psali.

Zajímavá fakta

Nejmocnější parní turbína: tento titul mohou právem držet hned dva produkty najednou – německý Siemens SST5-9000 a turbína z produkce ARABELLE, která patří americké General Electric. Obě kondenzační turbíny produkují výkon až 1900 MW. Takový potenciál lze realizovat pouze v jaderných elektrárnách.

Rekordní turbína Siemens SST5-9000 s výkonem 1900 MW. Je to rekord, ale poptávka po takovém výkonu je velmi nízká, proto se Toshiba specializuje na jednotky s polovičním výkonem. Zdroj: Siemens

Nejmenší Parní turbína byla vytvořena v Rusku před několika lety inženýry z Uralské federální univerzity – PTM-30 má průměr jen půl metru, má výkon 30 kW. Ten malý by mohl být použit k místní výrobě elektřiny využitím přebytečné páry z jiných procesů k získání ekonomického prospěchu z ní, spíše než jejího vypouštění do atmosféry.

Ruská PTM-30 je nejmenší parní turbína na světě pro výrobu elektřiny. Zdroj: UrFU

Nejnešťastnější Použití parní turbíny by mělo být považováno za parní turbínovou lokomotivu – parní lokomotivu, ve které pára z kotle vstupuje do turbíny a poté se lokomotiva pohybuje na elektromotorech nebo v důsledku mechanického převodu. Teoreticky parní turbína poskytovala několikanásobně vyšší účinnost než konvenční parní lokomotiva. V praxi se ukázalo, že své přednosti, jako je vysoká rychlost a spolehlivost, ukazuje parní turbínová lokomotiva až při rychlostech nad 60 km/h. Při nižších otáčkách turbína spotřebovává příliš mnoho páry a paliva. Spojené státy a evropské země experimentovaly s parními turbínami na lokomotivách, ale hrozná spolehlivost a pochybná účinnost snížily životnost lokomotiv s parními turbínami jako třídy na 10-20 let.

Uhelná parní turbínová lokomotiva C&O 500 se porouchala téměř při každé jízdě, a proto byla pouhý rok po vydání odeslána do šrotu. Zdroj: Wikimedia

• Blog společnosti Toshiba
• Populární věda
• Ekologie
• Energie a baterie