Turbiny parowe
Turbina parowa jest silnikiem cieplnym
wirnikowym. W turbinie parowej podobnie jak
w tłokowym silniku parowym, odbywa się
przetwarzanie energii "cieplnej" pary wodnej,
dopływającej z kotła na pracę mechaniczną.
Zasada działania i wynikające z niej
właściwości obu tych maszyn są zupełnie inne.
Odmiennie niż w parowym silniku
tłokowym, w turbinie parowej zachodzi
podwójna przemiana energii:
przez rozprężenie pary (głównie w
nieruchomych kanałach
międzyłopatkowych) następuje zamiana
energii "cieplnej" pary na energiÄ™
kinetyczna strumienia pary,
w kanałach międzyłopatkowych wirnika
zachodzi z kolei przetwarzanie tej energii
kinetycznej na pracÄ™ mechanicznÄ….
Układ łopatkowy turbiny jest złożony z
nieruchomych wieńców łopatkowych (tzw.
wieńce kierownicze, związane z
kadłubem) oraz wieńców wirujących
zwiÄ…zanych z wirnikiem.
Turbiny parowe sÄ… stosowane w wielu
dziedzinach gospodarki, głównie w
energetyce, przemysłach przetwórczych i w
transporcie morskim. Zasadniczym
zadaniem turbin parowych jest napędzanie
prądnic elektrycznych (generatorów) w
energetyce.
Większość wytwarzanej na elektrycznej
pochodzi z turbozespołów parowych
(turbozespół - zespół złożony z turbiny i
napędzanego przez nią generatora oraz
urządzeń pomocniczych).
" W wielu procesach technologicznych jest
potrzebna zarówno energia elektryczna, jak i
ciepło oraz para "technologiczna". W układach
energetycznych tych procesów są stosowane
odpowiednie typy turbin parowych,
dostarczających ciepło i parę do celów
technologii oraz - dodatkowo - energiÄ™
elektrycznÄ… jako "produkt uboczny".
" Poprawia to gospodarkÄ™ cieplno-energetycznÄ…
zakładu. Analogiczna jest zasada
wykorzystania turbin parowych w
ciepłownictwie. W elektrowniach, a i ogólnie
w przemyśle, turbiny parowe są także
stosowane do napędu pomp, sprężarek i
wentylatorów. Turbiny parowe stanowią też
napęd dużych statków i okrętów, np.
tankowców czy lotniskowców, w szczególności
o napędzie atomowym.
Jednokadłubowa wielostopniowa reakcyjna turbina kondensacyjna
" W omawianej turbinie przednie łożysko nośne i łożysko
oporowe są połączone, tworząc łożysko oporowo-nośne.
Wirnik turbiny 10 jest bezpośrednio sprzężony z
wirnikiem napędzanej prądnicy 14 za pomocą sprzęgła
półsztywnego 15. Dla uniknięcia nadmiernych przecieków
pary na zewnątrz turbiny (w części wlotowej)oraz
podsysania powietrza (w części wylotowej) wirnik
uszczelnia się względem kadłuba labiryntowymi
dławnicami zewnętrznymi 16 oraz 17.
" W tarczach kierowniczych 6 wirnik jest uszczelniony
labiryntowymi dławnicami międzystopniowymi 18. Dla
zasilania regeneracyjnych podgrzewaczy skroplin części
pary z turbiny jest odbierana przez kródce upustów
regeneracyjny 19 na komorach upustów 20. W przednim
stojaku łożyskowym 21, poza oporowo-nośnym, jest
umieszczony blok regulatorów bezpieczeostwa 22 oraz
napędzana od wału turbiny główna pompa olejowa 23 i
regulator prędkości obrotowej 24.
" W celu zapewnienia równomiernego
nagrzewania turbiny przy rozruchu i stygnięcia
przy wyłączaniu z ruchu (odstawianiu) wirnik
turbiny jest powoli obracany przez elektryczny
silnik obracarki 25 z przekładnią 26. W czasie
normalnej pracy turbiny obracarka jest
odłączona. Turbina opiera się na betonowym
fundamencie za pośrednictwem płyt
fundamentowych.
Klasyfikacja turbin parowych
" Turbiny parowe klasyfikuje się według różnych kryteriów.
" W zależności od liczby stopni rozróżnia się turbiny jedno-
i wielostopniowe
" Jednostopniowe turbiny ze stopniem Curtisa odznaczajÄ…
siÄ™ bardzo prostÄ… budowÄ… i niskim kosztem wykonania.
Mają jednak małą sprawnośd, są więc praktycznie
stosowane są jako napędy pomocnicze i awaryjne.
Większośd współczesnych turbin buduje się jako turbiny
wielostopniowe.
W zależności od kierunku przepływu pary
" turbiny osiowe
" turbiny promieniowe
Turbiny promieniowe (o przepływie pary
prostopadłym do osi wirnika) stosowane były
dawniej. Obecnie praktycznie wyłącznie są
budowane turbiny osiowe, o równoległym do
osi turbiny kierunku przepływu pary.
W zależności od mocy turbiny
" małej mocy (np. do 2,5 MW)
" średniej mocy(np. 2,5-50 MW)
" dużej mocy (np. 50-400 MW)
" wielkiej mocy (np. ponad 400MW).
Ze względu na ciągły wzrost mocy
produkowanych turbin pojęcia dużej i wielkiej
mocy ulegajÄ… zmianie.
W zależności od z
ródła pary dolotowej
" turbiny na parę świeżą (z kotła) i turbiny na parę
odlotową (np. z innej turbiny, silnika tłokowego młotów
parowych itp.)
" turbiny jedno- lub wieloprężne, to jest zasilane z jednego
lub kilku z
ródeł pary o różnym ciśnieniu (w praktyce 2
rzadko 3 z
ródła); para o najwyższym ciśnieniu jest tu
doprowadzana do pierwszego stopnia para o ciśnieniu
niższym do dalszych stopni; są to więc turbiny z
międzystopniowym doprowadzeniem pary.
W zależności od ciśnienia (parametrów) pary
dolotowej
" turbiny niskiego ciśnienia (np. 0,12-0,20 MPa, tj. głównie
na parÄ™ odlotowÄ…)
" średniego ciśnienia (np. do 6,4 MPa)
" wysokiego ciśnienia (np. 6,4 - 14Mpa) turbiny o ciśnieniu
nadkrytycznym (np. ponad 14 MPa).
Ponieważ ciśnienia pary są powiązane z temperaturami,
można też mówid o turbinach na niskie, średnie, wysokie
i nadkrytyczne parametry pary.
W zależności od sposobu sprzęgania z
napędzaną maszyną
turbiny bezprzekładniowe i przekładniowe.
W zależności od prędkości obrotowej
" turbiny o stałej prędkości obrotowej (napędzające
prądnice elektryczne) i o zmiennej prędkości obrotowej
(napędzające sprężarki, pompy oraz turbiny okrętowe)
" wolnobieżne (1500 obr/min)
" normalne (3000 obr/min)
" szybkobieżne (ponad 3000 obr/min; prędkości obrotowe
turbin dochodzą do 15000 obr/min i więcej)
W zależności od liczby kadłubów
" turbiny jednokadłubowe i wielokadłubowe.
" Budowę wielokadłubową stosuje się głównie
wtedy, gdy wymaganej dużej liczby stopni lub
wylotów turbiny nie udaje się pomieścid w
jednym kadłubie. Poszczególne kadłuby
(części) nazywa się zależnie od zakresu ciśnieo,
przy których pracują - częścią (lub kadłubem)
wysokoprężną (WP)\ średnioprężną (S P) i
niskoprężną (N P) turbiny.
W zależności od liczby strumieni pary
" turbiny jedno- i wielostrumieniowe.
" Podział pary płynącej przez turbinę na kilka (dwa lub więcej) strumieni
o takim samym zwykle układzie łopatkowym jest stosowany zasadniczo
w przypadku trudności (natury wytrzymałościowej) z konstrukcją
kanałów przepływowych o odpowiednio dużym przekroju, przy dużych
i wielkich strumieniach objętości. Wobec szybkiego wzrostu objętości
właściwej pary w miarę obniżania ciśnienia budowę
wielostrumieniową stosuje się przede wszystkim w częściach NP turbin
kondensacyjnych dużej i wielkiej mocy, rzadziej w częściach SP,
wyjÄ…tkowo w WP.
Układy a) jednostrumieniowy, b) dwustrumieniowy
" Układy
" a) jednostrumieniowy
" b) dwustrumieniowy
(podział na dwa strumienie pary pozwala
opanowad dwa razy większy strumieo i
uzyskad moc dwa razy większą od mocy
uzyskiwanej w przypadku układu
jednostrumieniowego przy tej samej
konstrukcji układu łopatkowego)
W zależności od liczby wylotów z ostatniego
stopnia
" turbiny jednowylotowe
" turbiny wielowylotowe
" Z powodów analogicznych jak przy podziale na
kilka strumieni stosuje siÄ™ zwielokrotnienie
liczby wylotów z ostatniego stopnia. Turbina
wielowylotowa musi byd, oczywiście, turbiną
wielostrumieniową, a ponieważ w jednym
kadłubie można pomieścid dwa wyloty
(wyjątkowo 3) - zwykle również i
wielokadłubową
W zależności od liczby wałów
niesprzęgniętych mechanicznie
" turbiny jednowałowe
" turbiny wielowałowe (zwykle dwuwalowe)
" Potrzeba budowy turbin dwuwałowych
występuje głównie przy największych mocach.
Każdy z wałów napędza tu osobną prądnicę
synchronizowaną tak, że wały są sprzęgnięte
tylko elektrycznie. Natomiast para pracuje
szeregowo w kolejnych kadłubach turbiny
umieszczonych, zależnie od konkretnych
potrzeb, w różny sposób na obu wałach.
Schemat turbiny dwuwałowej o mocy 1300 MW z
przegrzewem międzystopniowym za częścią wysokoprężną
Część wysokoprężna WP
Część średnioprężna SP
Część niskoprężna NP
Generator
Przegrzewacz międzystopniowy
W zależności od sposobu zamiany energii w stopniu
" turbiny akcyjne,
" turbiny reakcyjne
" turbiny kombinowane
" Jest to podział tradycyjny. Dzisiaj wiąże się z cechami konstrukcyjnymi i
technologicznymi turbin w związku z tym, że turbiny reakcyjne miały
układ bębnowy, a akcyjne komorowy. Układ z wirnikiem bębnowym
stwarza ciągły kanał przepływu czynnika i podobne warunki
przepływowe i konstrukcyjne dla wieoca kierowniczego i wirującego. W
układzie komorowym z wirnikiem tarczowym koła z wieocami
wirujÄ…cymi obracajÄ… siÄ™ w komorach tworzonych przez kolejne tarcze
kierownicze z wieocami kierowniczymi. W zwiÄ…zku z tym obecnie
wyróżnia się turbiny bębnowe (reakcyjne) i komorowe (akcyjne)
Schemat części przepływowej turbiny
a) budowy komorowej (akcyjnej) b) bębnowej (reakcyjnej)
W zależności od sposobu wykorzystania pary
wylotowej z turbiny
" turbiny kondensacyjne
" turbiny przeciwprężne
" turbiny z pogorszoną próżnią
" turbiny upustowe
" turbiny wydmuchowe
" turbiny kombinowane
Turbiny kondensacyjne
" W turbinach kondensacyjnych para po rozprężeniu się do
ciśnienia znacznie niższego od ciśnienia atmosferycznego
(typowe wartości 3,5-7 kPa) jest kondensowana w
skraplaczu w warunkach głębokiej próżni. W skraplaczu
para przekazuje swoje ciepło skraplania wodzie
chłodzącej. Ponieważ nie istnieją techniczne możliwości
wykorzystania pary wylotowej o tak niskich parametrach,
a także wody chłodzącej skraplacz, podgrzanej do
temperatury 20-40°C, ta bardzo znaczna iloÅ›d ciepÅ‚a jest
tracona i rozpraszana do otoczenia.
Schemat układu turbiny kondensacyjnej Schemat układu turbiny przeciwprężnej
1 Kocioł, 2 Para dolotowa do turbiny, 3 Zawory regulacyjne,
4 Turbina kondensacyjna, 5 Generator, 6 Skraplacz, 1 Zawory regulacyjne turbiny, 2 Regulator ciśnienia pary ylotowej
7 Pompa wody chłodzącej, 8 Woda chłodząca, 3 Kolektor pary wylotowej, 4 Generator, 5 Odbiorniki pary
9 Pompa próżniowa, 10 Powietrze odsysane ze skraplacza 6 Pompa zasilająca
11 Skropliny, 12 Pompa zasilajÄ…ca
" W turbinach przeciwprężnych para odlotowa jest
odprowadzana do wykorzystania poza układem turbiny,
np. dla celów technologicznych czy ciepłowniczych. Para
na wylocie z turbiny ma tu ciśnienie wyższe lub znacznie
wyższe od atmosferycznego (zwykle 0,25- 1,5 MPa), a
ciepło zawarte w tej parze jest dalej wykorzystywane.
Podstawowym zadaniem turbiny przeciwprężnej jest
zasilanie odbiorców pary, a wytwarzanie energii
elektrycznej jest celem ubocznym.
" Turbinę przeciwprężną można przyrównad do zaworu dławiącego, w
którym para rozpręża się od wysokiego ciśnienia panującego w kotle do
określonego niższego ciśnienia, z tym, że tutaj dodatkowo uzyskuje się
energię elektryczną. Ilośd wytwarzanej energii elektrycznej zależy od
zapotrzebowania pary w odbiornikach, a więc od ilości pary
przepływającej przez turbinę. Tak więc układ z turbiną przeciwprężną
jest znacznie ekonomiczniejszy od układu z turbiną kondensacyjną i
powinien byd stosowany wszędzie tam, gdzie występują dostatecznie
duże odbiorniki pary.
" Turbiny z pogorszoną próżnią są to turbiny stosowane
głównie w ciepłownictwie, o układzie takim jak turbiny
kondensacyjne, z tym jednak, że do chłodzenia skraplacza
i odbierania ciepła skraplania pary wylotowej jest
stosowana woda sieciowa, tj. woda powrotna z układu
ciepłowniczego. Skraplacz pracuje tu przy pogorszonej
(mniejszej) próżni niż w układzie kondensacyjnym
(ciśnienie skraplania 30-90 kPa) i stanowi zwykle pierwszy
stopieo wielostopniowego układu podgrzewania wody
sieciowej.
" W turbinach upustowych częśd pary jest
odbierana z turbiny - pomiędzy jej wlotem a
wylotem - przez upust i wykorzystywana poza
układem turbiny do celów technologicznych
czy ciepłowniczych. Upusty są zwykle
regulowane w taki sposób, aby podtrzymywad
wymagane ciśnienie odbieranej pary
niezależnie od jej ilości.
" Turbina może mied jeden lub dwa. Turbiny upustowe
Å‚Ä…czÄ… w sobie cechy turbin kondensacyjnych i
przeciwprężnych umożliwiając jednoczesną regulację
mocy turbiny i ilości odbieranej pary. W turbinie
upustowej można wyróżnid dwie części (również w
budowie jednokadłubowej): przed upustem (WP) i za nim
(NP.). Obie części mają własne zawory regulacyjne na
wlocie, mogą więc byd traktowane jak dwie turbiny
pracujÄ…ce szeregowo po stronie parowej i oddajÄ…ce moc
na wspólny wał.
Schemat układu turbiny upustowo-
kondensacyjnej
" W turbinach wydmuchowych para wylotowa
jest odprowadzana bezpośrednio do
atmosfery. Są to turbiny małej mocy, pracujące
przez krótkie okresy, np. turbiny awaryjne.
Ilości straconej pary są wtedy niewielkie,
sprawnośd układu nie ma znaczenia, a
podstawowa zaletÄ… jest prostota i niski koszt
wykonania urzÄ…dzenia.
" W turbinach kombinowanych ma miejsce
wielorakie wykorzystanie pary wylotowej (
zawierają one przynajmniej dwie z wyżej
wymienionych cech) najpopularniejsze sÄ… tu
turbiny upustowo-kondensacyjne, upustowe z
pogorszoną próżnią oraz upustowo -
przeciwprężne.
W zależności od układu regeneracji
" turbiny z układem regeneracji
" turbiny bez regeneracji
" W turbinach z układem regeneracji częśd pary jest pobierana z
nieregulowanych upustów (tzw. upusty regeneracyjne) i
wykorzystywana do podgrzewania wody zasilającej kocioł w
regeneracyjnych wymiennikach . Jest to skuteczny zabieg podnoszÄ…cy
sprawnośd układu cieplnego turbiny. Z tego względu, mimo komplikacji
układu i wzrostu kosztów jego wykonania, jest on powszechnie
stosowany, poczynając już od większej turbin średniej mocy. Liczba
regeneracyjnych upustów wzrasta wraz z parametrami pary dolotowej i
mocÄ… turbiny i zawiera siÄ™ zwykle w granicach 3-8. Regeneracja jest
stosowana w różnych typach turbin. Należy zaznaczyd, że turbiny z
układem regeneracji, mimo wyposażenia w upusty regeneracyjne, nie
sÄ… turbinami upustowymi.
Schemat układu regulacji turbiny
kondensacyjnej o mocy 50 MW
W zależności od występowania przegrzewania (przegrzewu)
międzystopniowego
" turbiny z przegrzewaniem międzystopniowym
" turbiny bez przegrzewania.
" Międzystopniowe przegrzewanie pary jest, podobnie jak regeneracja,
zabiegiem służącym podnoszeniu sprawności układu cieplnego turbiny.
Polega on na wyprowadzeniu pary z turbiny po częściowym
rozprężeniu do osobnego przegrzewacza w kotle i skierowaniu jej
następnie z powrotem do turbiny w celu dalszego rozprężenia. Wobec
znacznej komplikacji układu i związanych z tym kosztów
międzystopniowe przegrzewanie pary jest stosowane tylko w turbinach
większych mocy. Zwykle stosuje się przegrzewanie jednokrotne,
możliwe jest jednak również wielokrotne przegrzewanie pary (w
praktyce istotną zaletą międzystopniowego przegrzewania pary jest
przesunięcie procesu rozprężania w turbinie w kierunku wyższych
stopni suchości pary.
" Umożliwia to stosowanie nawet bardzo
wysokich ciśnieo pary świeżej przy
stosunkowo niskiej jej temperaturze, bez
obawy uzyskania zbyt mokrej pary w ostatnich
stopniach turbin kondensacyjnych(wilgotnośd
pary powoduje spadek sprawności i niszcznie
erozyjne części przepływowej turbiny).
W zależności od zastosowania
turbiny energetyczne
turbiny ciepłownicze
turbiny przemysłowe
turbiny trakcyjne (głównie okrętowe) turbiny
podstawowe
turbiny szczytowe, awaryjne i pomocnicze;
turbiny stałe i przewoz
ne.
Konstrukcja elementów turbin
" W każdej turbinie, pomimo różnic budowy,
można wydzielid kilka odrębnych funkcjonalnie
zespołów, jak: dysze, tarcze kierownicze,
łopatki wirujące, wirniki, sprzęgła, kadłuby,
dławnice i łożyska.
" Dysze stopnia regulacyjnego, tworzÄ…ce
segment dyszowy, wraz z komorÄ… dyszowÄ…
służą do przeprowadzania pary od zaworów
regulacyjnych do układu łopatkowego turbiny.
Dysza stopnia regulacyjnego a) frezowana, b)
frezowano- spawana, c) całkowicie frezowany
segment dyszowy
" Tarcze kierownicze, niosÄ…ce wieoce kierownicze i
odgrywające rolę przegród pomiędzy kolejnymi
stopniami turbiny budowy komorowej, sÄ… dzielone
zawsze w płaszczyz
nie poziomej przechodzÄ…cej przez oÅ›
wirnika, dla umożliwienia montażu. Tarcza kierownicza
składa się z pierścienia zewnętrznego 1, wieoca łopatek
kierowniczych 2, średnika 3 i zamocowanej w jego
wytoczeniu dławnicy międzystopniowej.
Tarcze kierownicze
a) odlewana żeliwna z zalanymi stalowymi łopatkami kierowniczymi,
b) schemat tarczy spawanej,
c) Å‚opatki zespawane
1 Å‚opatki zespawane
2 pierścień zewnętrzny łopatki
3 środnik
4 bandaż z blachy
5 bandaż z blachy
A
ożyska
" W turbinach parowych sÄ… stosowane
praktycznie wyłącznie łożyska ślizgowe. Na
przeszkodzie w wykorzystaniu łożysk tocznych
stoją duże prędkości obwodowe przy
znacznych średnicach czopów oraz znaczne
ilości ciepła dopływającego poprzez wał z
wnętrza turbiny. Dla odprowadzenia tego
ciepła łożyska są zasilane dużą ilością oleju,
większą niż potrzebna do wytworzenia klina
smarowego
Sprzęgła
" W budowie turbin są stosowane następujące rodzaje
sprzęgieł:
" sprzęgła sztywne - o bardzo prostej budowie;
" sprzęgła półsztywne, z członem pośrednim o nieznacznej
elastyczności (w postaci grubościennej tulei falistej,
wstawionej pomiędzy koocówki sprzęgła sztywnego);
sprzęgła takie dopuszczają nieznaczny kat między liniami
sprzęgniętych wałów i przenoszą momenty skręcające
oraz siły osiowe, a w ograniczonym stopniu momenty
zginające i siły poprzeczne;
" sprzęgła podatne, głównie kłowe i zębate,
umożliwiające wzajemne przemieszczenia
promieniowe i osiowe oraz pewnÄ…
nierównoległośd łączonych wirników;
" sprzęgła elastyczne (sprężyste), dopuszczające
większe kąty między osiami łączonych
wirników, wyrównujące ponadto
gwałtowniejsze zmiany momentu
skręcającego.
" Zastosowanie sprzęgieł podatnych i elastycznych (nie przenoszących
momentów zginających i sił poprzecznych), wobec wymienionych ich
zalet, daje oczywiste korzyści przy montażu i w eksploatacji turbiny, jest
jednak ograniczone ze względu na wytrzymałośd i szybkie zużycie
zakresem mocy do 25-30 MW. Przy większych mocach są stosowane
wyłącznie sprzęgła sztywne i częściowo półsztywne. Wiąże się z tym
koniecznośd niezwykle starannego zachowania współosiowości
sprzęganych wirników. Stwarza to szczególne problemy w
turbozespołach wielokadłubowych dużych mocy, gdzie linia
sprzęgniętych wirników osiąga długośd 50 m i więcej.
" Kadłuby są odpowiedzialnymi elementami
turbin, obciążonymi ciśnieniem pary o
wysokiej temperaturze. Parametry pary
zmieniają się znacznie w miarę jej przepływu
przez kadłub. Wynikające stąd znaczne różnice
ciśnieo i temperatur w obrębie kadłuba tworzą
poważne utrudnienia konstrukcyjne, co jest
jedna z przyczyn budowy wielokadłubowej
turbin pracujÄ…cych przy wysokich parametrach
pary.
" Kadłuby są dzielone (wyjątek stanowi kadłub garnkowy)
poziomo w osi dla umożliwienia montażu oraz często
pionowo - dla ułatwienia obróbki mechanicznej. Przy
wysokich parametrach pary kadłuby są odlewane.
Kadłuby części niskoprężnych turbiny są przeważnie
wykonywane z blachy stalowej. Podparcie kadłubów
stanowią zwykle stojaki łożyskowe z łapami stanowiącymi
przedłużenie kołnierza poziomego podziału dolnej części
kadłuba.
" Dławnice uszczelniają przejścia wału turbiny
między przestrzeniami o różnych ciśnieniach;
przy wyjściach wału z kadłuba są to dławnice
zewnętrzne (koocowe), a przy przejściu przez
tarcze kierownicze - międzystopniowe. Wobec
dużych prędkości obwodowych i temperatury
pracy w turbinach mogÄ… byd stosowani tylko
uszczelnienia bezstykowe, głównie
labiryntowe.
" Zasada zmniejszenia przecieku pary w
dławnicy labiryntowej sprowadza się do tego
że prędkośd powstała w szczelinie przy ostrzu
dławnicy, uzyskana kosztem spadku ciśnienia,
praktycznie zanika w komorze za szczelinÄ…
wskutek uderzeo o ścianki i wirów. Do
następnej komory dławnicy dopływa para o
obniżonym ciśnieniu itd.
" DÅ‚awnica labiryntowa nie zapewnia,
oczywiście, całkowitej szczelności, stąd stosuje
siÄ™ odprowadzanie z niej pary przeciekowej.
Dławnica składa się z dzielonego kadłuba,
obejmującego czop wału, i właściwego
uszczelnienia z ostrzami. RozwiÄ…zania
konstrukcyjne ostrzy są bardzo różne: mogą
byd one wykonane z blachy zawalcowywanej
w rowkach nieruchomych lub wirujÄ…cych albo
wytaczane.
DÅ‚awica labiryntowa
zasada
działania
segment dławicy jodełkowej
" Fundament, na którym jest ustawiony turbozespół,
wykonuje się obecnie przeważnie jako konstrukcję
żelbetową, wyjątkowo jako konstrukcję stalowa, W
gruntach o dużej nośności fundament ustawia się wprost
w wykopie, w gruntach słabych osadza się go na głęboko
wbitych żelbetowych palach Ciężar turbozespołu
przenoszą na fundament płyty fundamentowe (żeliwne
lub spawane z blach), zalane w betonie i ściągnięte
śrubami kotwowymi. Fundamenty poszczególnych
maszyn muszą byd izolowane od siebie i od fundamentów
maszynowni dla uniknięcia przenoszenia drgao.
Czterokadłubowy turbozespół kondensacyjny wielkiej mocy
1 Część WP turbiny
2 Część SP
3 Część NP
4 PrÄ…dnica (generator)
widok
5 Wzbudnica
6 Skraplacz
fundament
Turbina przeciwprężna szybkobieżna z przekładnią, na średni parametry pary
1 Tłok odciążający
2 Przekładnia zębata
" Charakterystyczny dla turbin przeciwprężnych jest
znacznie krótszy układ łopatkowy niż w turbinach
kondensacyjnych i brak części niskoprężnej w związku z
wysokim ciśnieniem na wylocie. Turbiny przeciwprężne
są przeważnie budowy jednokadłubowej, szybkobieżne
przy mniejszych mocach. Podwyższenie prędkości
obrotowej pozwala tu na uzyskanie turbiny o zwartej
konstrukcji i małych wymiarach, a jednocześnie o dobrej
sprawności.
" Turbiny przeciwprężne większych mocy są budowane
zwykle analogicznie jak części wysokoprężne
wielokadłubowych turbin kondensacyjnych. Strumieo
pary przepływającej przez układ łopatkowy działa na
Å‚opatki wirujÄ…ce nie tylko w kierunku obwodowym, ale
również i w osiowym .A
Ä…cznie z naciskiem pary na uskoki i
powierzchnie czołowe wirnika daje to siłę osiową
działającą na wirnik turbiny w kierunku zgodnym z
przepływem pary. W jednokadłubowych turbinach
komorowych (akcyjnych) do przejęcia siły osiowej
wystarcza zwykłe łożysko oporowe turbiny.
" W turbinach bębnowych (reakcyjnych) gdzie
siła osiowa jest większa, niezbędne jest jej
zmniejszenie. W jednokadłubowych turbinach
bębnowych stosuje się więc tzw. Tłoki
odciążające dla częściowego zrównoważenia
siły osiowej i odciążenia łożyska oporowego.
Turbina upustowo-kondensacyjna ciepłownicza TC-30 o mocy 30 MW, na
parametry pary: 9MPa, 535 stopni C
1 Komora upustu regulowanego
2 Króciec upustu regulowanego
3 Tarcza kierownicza z obrotową przesłoną regulacyjną
" Tłok odciążający jest częścią wirnika o
powiększonej średnicy, umieszczoną przed
pierwszym stopniem turbiny. Po prawej
stronie tłoka panuje ciśnienie jak w stopniu
regulacyjnym, a w przestrzeni po lewej stronie
ciśnienie znacznie niższe, dzięki połączeniu z
wylotem turbiny. Różnica tych ciśnieo działa
na tłok w kierunku przeciwnym do siły osiowej
w układzie łopałkowym wirnika.
" Pomiędzy walcową powierzchnią tłoka a kadłubem
znajduje się dławnica labiryntowa, ograniczająca przeciek
pary. Jednak wobec znacznej średnicy tłoka przecieki te
są znaczne, zmniejszające sprawnośd uszczelnienia
turbiny w stosunku do układów bez tłoka. W turbinach
wielokadłubowych tłoki odciążające zwykle nie
występują, a siły osiowe równoważyły się przez
stosowanie przeciwnych kierunków przepływu pary w
kolejnych kadłubach (wirniki łączone sprzęgłami
sztywnymi). W układach dwustrumieniowych siły osiowe
od układu łopatkowego z natury równoważą się.
Regulacja i charakterystyki turbin
Układy regulacji stosowane w turbinach
" Regulacja turbin parowych ma na celu dostosowanie ilości pary
doprowadzanej do turbiny do aktualnego zapotrzebowania energii
mechanicznej na sprzęgle maszyny napędzanej lub do energii cieplnej
w odbiorach a także utrzymywanie określonych parametrów pracy
(głównie prędkości obrotowej lub ciśnienia odbieranej pary)
niezależnie od zakłóceo występujących w ruchu. Zmiany ilości pary
dopływającej do turbiny są realizowane przez układ rozrządu pary
(nazywany też regulacją) z odpowiednimi zaworami. Do zmiany
położenia zaworów służy układ regulacji. Termin regulacja może tu
mied to samo znaczenie co rozrząd pary lub ogólniejsze.
Typy rozrzÄ…du pary turbiny
grupowy obejściowy
dławieniowy
1 Zawór główny turbiny
2 Zawór regulacyjny
3 Stopień regulacyjny
4 Zawór obejściowy
5 Komora obejścia
" W turbinach parowych sÄ… stosowane trzy
główne typy rozrządu pary: dławieniowy,
grupowy i obejściowy. W każdej turbinie,
niezależnie od typu rozrządu, występuje zawór
główny pary (szybko zamykający).
" W rozrządzie dławieniowym - po minięciu
zaworu głównego - para dopływa do turbiny
przez zawór dławiący(jeden lub kilka
równoległych), doprowadzający parę do jednej
komory przed dyszami stopnia, o stałym
(najczęściej całkowitym) łuku zasilania. W tym
przypadku największą moc uzyskuje turbina
przy całkowitym otwarciu zaworu
regulacyjnego.
" Przy mocach mniejszych zawór przymyka się dławiąc parę
wskutek czego zmniejsza się zarówno ilośd pary
dopływającej do turbiny jak spadek H' części
przepływowej, co jest też połączone z istotnym
obniżeniem sprawności turbiny. W związku z tym rozrząd
dławieniowy jest stosowany w tanich turbinach małej
mocy, gdzie sprawnośd nie jest istotna, oraz w turbinach
największej mocy, przeznaczonych do pracy podstawowej
tj. przy mocach bliskich maksymalnej.
" Najszerzej jest stosowany rozrząd grupowy, w którym para dopływa do
kilku (zwykle 4) oddzielnych grup dysz, rozmieszczonych na pierwszego
stopnia turbiny. Stopieo ten nazywa siÄ™ wtedy stopniem regulacyjnym i
jest wykonywany jako akcyjny jedno- lub dwuwieocowy. Każdy zawór
regulacyjny zasila niezależnie oddzielną grupę dysz. Otwieranie
zaworów regulacyjnych następuje tu kolejno, w miarę wzrostu
obciążenia turbiny, tzn. przy wzroście obciążenia turbiny po
uruchomieniu drugi zawór regulacyjny (a następnie trzeci itd.) zaczyna
się otwierad wówczas, gdy zawór poprzedni osiągnął praktycznie pełne
otwarcie. Przy obniżaniu obciążenia następuje zamykanie zaworów w
kolejności odwrotnej. Wobec tego, że dławieniu podlega tylko częśd
doprowadzonej do turbiny pary, rozrzÄ…d grupowy jest bardziej
ekonomiczny niż dławieniowy.
" Istotą rozrządu obejściowego jest możliwośd
doprowadzenia części pary, przez osobny regulacyjny
zawór dławiący, do komory za pierwszym lub dalszymi
stopniami turbiny. Na wlocie do pierwszego stopnia
turbina może mied rozrząd dławieniowy lub grupowy.
Moc ekonomiczną, odpowiadającą największej
sprawności, osiąga tu turbina przy całkowicie otwartych
zaworach regulacyjnych doprowadzajÄ…cych parÄ™ do
pierwszego stopnia. Moce większe od ekonomicznej - aż
do mocy maksymalnej - uzyskuje się następnie przez
dodatkowe otwarcie zaworu obejściowego.
" Wzrasta przy tym ciśnienie w komorze obejścia i rośnie
przepływ przez układ łopatkowy za obejściem oraz moc
turbiny, pomimo zmniejszenia przepływu w układzie
łopatkowym przed obejściem. Możliwe jest zastosowanie
dwóch, a nawet trzech obejśd. W większości typów
turbin, a w szczególności w turbinach kondensacyjnych,
zależnośd zużycia pary, tj. strumienia masy pary
dolotowej od rozwijanej mocy jest zbliżona do liniowej.
" Zasada działania układu regulacji prędkości obrotowej
turbiny: Zawór regulacyjny 7, przestawiany
serwomotorem 4 o dwustronnym doprowadzeniu oleju.
Regulator prędkości obrotowej 2 i główna pompa
olejowa 5 otrzymują napęd do wału głównego turbiny za
pośrednictwem przekładni ślimakowej. Główna pompa
olejowa tłoczy olej ze zbiornika 8 przez suwak rozdzielczy
3 do serwomotoru (tzw. olej regulacyjny) W środkowym
położeniu suwaka, szczeliny sterujące są zakryte i olej nie
dopływa ani nie odpływa z serwomotoru.
" Jeśli jednak, na przykład, obciążenie maszyny napędzanej wzrośnie
ponad aktualną moc turbiny, to prędkośd obrotowa turbiny zacznie
spadad, tuleja regulatora 2 przesunie się w dół i za pośrednictwem
dz
wigni obniży się również suwak rozdzielczy 3. Wówczas otworzy się
szczelina dopuszczająca olej regulacyjny pod tłok serwomotoru oraz
szczelina umożliwiająca spływ oleju znad tego tłoka. Wywoła to ruch
tłoka serwomotoru w górę, a więc zwiększy otwarcie zaworu
regulowanego i dopływ pary do turbiny. Prędkośd obrotowa przy tym
wzrośnie a moc turbiny zrówna się z obciążeniem. Suwak rozdzielczy 3
powróci do środkowego położenia. Przy spadku obciążenia i wzroście
prędkości obrotowej tubiny zachodzi proces odwrotny.
Zasada działania układu regulacji prędkości obrotowej i schemat obiegu oleju
1 Zawór regulacyjny
2 Regulator prędkości
3 Suwak rozdzielczy oleju
4 Serwomotor
5 Główna pompa olejowa
6 Pomocnicza pompa olejowa
7 Zawór regulacyjny oleju
8 Zbiornik oleju
9 Zawór zwrotny
10 Chłodnica oleju
11 Zawór przelewowy
Obieg oleju.
" Olej z głównej pompy olejowej 5 jest kierowany, do
układu regulacji, a przez zawór redukcyjny 7 (utrzymujący
stałe ciśnienie oleju regulacyjnego) i chłodnicę oleju 10 -
również do łożysk turbiny, skąd spływa grawitacyjnie z
powrotem do zbiornika 8. Do podtrzymywania ciśnienia
oleju do łożysk służy zawór przelewowy 11,
przepuszczajÄ…cy nadmiar oleju podawany przez pompÄ™.
Dla umożliwienia smarowania łożysk w trakcie
uruchomiania i zatrzymywania turbiny jest stosowana
pomocnicza pompa olejowa 6, napędzana małą turbinką
parową. Zwykle stosuje się także pomocniczą i awaryjną
pompę olejową z napędem elektrycznym.
Turbiny dużej i wielkiej mocy
" Koniecznośd zaspokajania stale wzrastającego
zapotrzebowania na energiÄ™ elektrycznÄ… przy
jednoczesnej konieczności oszczędzania środków
inwestycyjnych oraz dążenie do lepszego wykorzystania
przemysłu urządzeo energetycznych w naturalny sposób
prowadzÄ… do projektowania i budowy instalacji
energetycznych, w tym turbin parowych, o coraz większej
mocy. Współczesne turbiny energetyczne obok dużej
mocy muszą mied również dużą sprawnośd. Sprawnośd
ogólna turbiny i jednostkowe zużycie ciepła zależą
zarówno od sprawności części przepływowej, jak i od
układu cieplnego turbiny i jego parametrów.
Sposoby i możliwości podwyższenia sprawności
obiegu turbiny
" Podwyższenie parametrów pary świeżej. Konstrukcję układu i turbiny
łatwiej jest dostosowad do wysokiego ciśnienia niż dobrad materiały do
panujących tu temperatur. Właśnie ze względów materiałowych
obecnie stosuje siÄ™ temperaturÄ™ pary tylko do 530-555 stopni
(najniższa dopuszczalna temperatura, w której można bezpiecznie
używad tanich niskostopowych stali ferrytycznych). Osiągnięcie
temperatury ok. 650°C wiąże siÄ™ już z koniecznoÅ›ciÄ… użycia znacznie
droższych, wysokostopowych stali austenitycznych, co nie jest obecnie
uzasadnione ze względów techniczno-ekonomicznych. Jeśli chodzi o
ciśnienia pary, to są stosowane wartości wysokie i nadkrytyczne w
dwóch grupach: ok. 16,5 MPa oraz ok. 24 MPa.
Obniżenie przeciwciśnienia. Ekonomicznie
uzasadnione ciśnienia na wylocie z turbin
kondensacyjnych wynoszÄ… zwykle ok. 4 kPa
przy chłodzeniu w układzie otwartym oraz ok.
7 kPa - przy chłodzeniu w obiegu zamkniętym.
Międzystopniowe przegrzewanie pary. Turbiny
dużej i wielkiej mocy pracują w układach z
przegrzewem międzystopniowym. Obecnie
jest głównie stosowany przegrzew
jednokrotny. Z analogicznych względów jak w
przypadku pary dolotowej stosuje siÄ™
temperatury pary przegrzanej w zakresie 530-
565°C.
Regeneracyjne podgrzewanie skroplin.
Rozpatrywane turbiny są wyposażone w
układy regeneracji z 6-9 wymiennikami,
zapewniajÄ…ce wysokie podgrzewanie wody
zasilającej przed kotłem do temperatury 240-
260°C i wiÄ™cej.
Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i
ciepła. Daje ono oczywiste korzyści, w związku
z czym powinno byd stosowane, o ile tylko
występują odpowiednie możliwości. Jednak
turbiny dużej i wielkiej mocy to praktycznie
wyłącznie turbiny kondensacyjne - wobec
braku odpowiednio dużych odbiorów ciepła.
Przykłady budowy turbin parowych dużej i
wielkiej mocy
" Powiększenie mocy turbin parowych wymaga pokonania
szeregu różnorodnych i poważnych trudności
konstrukcyjnych. Przy określonym układzie cieplnym moc
turbiny można zwiększad w sposób istotny wyłącznie
przez powiększanie strumienia masy pary. Stąd jedną z
zasadniczych trudności jest konstrukcja odpowiedniej
części niskoprężnej, a w szczególności konstrukcja
ostatniego stopnia turbiny.
" Wielka moc wymaga bowiem
zwielokrotnionych wylotów o znacznych
wymiarach. Obniżenie prędkości obrotowej
turbiny o połowę (tj. np. budowa turbin
wolnobieżnych na 1500 obr/min zamiast 3000
obr/min) pozwala zwiększyd moc
czterokrotnie. Wobec różnych wad takiego
rozwiÄ…zania jest ono obecnie stosowane
zasadniczo w turbinach największych mocy dla
elektrowni jÄ…drowych.
" Obecnie stosowane Å‚opatki stalowe (kute z najlepszych
wysokostopowych stali) umożliwiają uzyskanie, przy
prędkości obrotowej = 3000 obr/min, powierzchni wylotu
9- 10 m2 i mocy granicznej 130-180 MW. A
opatki
wirujÄ…ce ostatnich stopni turbin kondensacyjnych o
granicznych mocach należą do konstrukcji wyjątkowo
silnie obciążonych. Ich prędkości obwodowe wynoszą ok.
600 m/s (średnica podziałowa ok. 3m, długośd łopatki ok.
l m, prędkośd obrotowa = 3000 obr/min). W związku z
tym jako materia wprowadza się stopy tytanu, których
wytrzymałośd jest większa od stali.
UrzÄ…dzenia kondensacyjne
" Urządzenia kondensacyjne stosuje się dla obniżenia koocowej temperatury i ciśnienia
przy rozprężaniu pary w turbinie kondensacyjnej, co istotne poprawia sprawnośd
obiegu. Rosną przy tym, oczywiście, koszty wykonania instalacji tak, że istnieją
ekonomicznie uzasadnione, optymalne ciśnienia wylotowe (tj. w skraplaczu) W skład
urządzenia kondensacyjnego wchodzi skraplacz (kondensator) 1, połączony z wylotem
turbiny, chłodzony przeważnie wodą, którą tłoczy pompa obiegowa wody chłodzącej 2.
Próżnię przy uruchamianiu turbiny (przez usunięcie powietrza) tworzy pompa
próżniowa 3, zwykle strumienica (smoczek) parowa lub wodna. Odsysa ona również
różnego rodzaju przecieki w czasie ruchu turbiny. Skropliny (kondensat) pary wylotowej
z turbiny odprowadza pompa skroplin 4. Skraplacz jest chłodzony wodą świeżą z rzeki,
jeziora lub morza (otwarty układ chłodzenia) albo wodą z obiegu, chłodzoną w chłodni 5
(zamknięty układ chłodzenia). Są również stosowane rozwiązania mieszane.
Rozróżniamy skraplacze mieszankowe, z bezpośrednim zetknięciem pary z wodą
chłodzącą, oraz powierzchniowe, gdzie para jest oddzielona metalową ścianką od
czynnika chłodzącego. Znaczenie odzyskiwania czystych skroplin powoduje, że są
przeważnie stosowane skraplacze powierzchniowe.
Schemat skraplacza powierzchniowego
1 Kadłub, 2 Komora wodna, 3 Pokrywa, 4 Rurki, 5 Dno sitowe, 6 Przepona, 7 Zbiornik
kondensatu, 8 Kompensator, 9 Podpora sprężysta
" Para wpływająca do skraplacza powierzchniowego skrapla się na zewnętrznej
powierzchni rurek, wewnątrz których przepływa woda chłodząca. Powstający
tu kondensat spływa do zbiornika, skąd jest zbierany pompą skroplin.
Rozróżniamy skraplacze jedno- i wielodrogowe, zależnie od ilości ciągów
(chodów) wody. Wymaga to odpowiedniego przegród w komorach wodnych.
Dwudrogowy skraplacz na najczęściej składa się z kadłuba, dwóch komór
wodnych oraz dwóch den sitowych, w których są zawalcowane kooce rurek,
zwykle mosiężnych. Przepony 6 wyginają rurki w taki sposób, aby wygięcie to
odpowiednio kompensowało zmienne wydłużenia cieplne. Skraplacz jest
zwykle łączony z turbiną za pośrednictwem falistego kompensatora i podparty
na fundamencie na regulowanych, sprężystych podporach. Graniczne ciśnienie
w skraplaczu równa się ciśnieniu nasycenia pary wodnej w temperaturze wody
chłodzącej na wlocie do skraplacza. Osiągana w rzeczywistości próżnia jest
gorsza od granicznej wobec niedoskonałości konstrukcji i obecności resztek
powietrza w skraplaczu.