Badanie turbiny parowej
Instrukcja do ćwiczenia nr 15
Badanie maszyn - laboratorium
Opracował: dr in\
. Andrzej Tatarek
Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery
Wrocław, grudzień 2006 r.
1. Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie badań kontrolnych turbiny parowej 13UC100 w
warunkach normalnej eksploatacji, zainstalowanej w bloku ciepłowniczym BC-100 w Zespole
Elektrociepłowni Wrocławskich KOGENERACJA S.A. Zakres ćwiczenia obejmuje
przeprowadzenie pomiarów określonych wielkości zgodnie z arkuszem pomiarowym załączonym do
instrukcji (Załącznik A). Po przeprowadzeniu pomiarów wykonuje się zestawienie bilansu energii
oraz wyznacza sprawność turbiny i turbozespołu.
2. Wiadomości podstawowe
Zasada działania turbiny parowej polega na zamianie energii cieplnej czynnika gazowego (pary
wodnej) najpierw na energię kinetyczną, a następnie na pracę mechaniczną.
Odpowiednio do tego w skład turbiny parowej wchodzą:
" elementy ekspansyjne, w których zachodzi przemiana energii cieplnej czynnika na energię
kinetycznÄ…;
" Å‚opatki wirnikowe, gdzie energia kinetyczna gazu zamienia siÄ™ na pracÄ™.
Przyrządy ekspansyjne, zwane dyszami lub kierownicami, połączone są konstrukcyjnie z
nieruchomym korpusem turbiny. A
opatki wirnikowe stanowią część wirnika, wykonującego ruch
obrotowy.
Stopień turbiny jest to jeden zespół obejmujący wieniec przyrządów ekspansyjnych (wieniec
kierowniczy) oraz wieniec Å‚opatek wirnikowych.
Generalnie buduje się turbiny wielostopniowe, czyli turbiny składające się z pewnej liczby
stopni umieszczonych szeregowo. Obecnie turbiny jednostopniowe nale\
ą do wyjątków.
Zasadniczo turbiny parowe buduje się jako tzw. turbiny o przepływie osiowym, w skrócie
nazywane turbinami osiowymi.
Ze względu na sposób pracy stopnia turbiny rozró\
nia siÄ™:
" system akcyjny, w którym cały mo\
liwy spadek entalpii zamienia siÄ™ na energiÄ™ kinetycznÄ…
w dyszach. Ciśnienie za dyszami równe jest ciśnieniu za wieńcem wirnikowym, nie zachodzi
w nim \
adna ekspansja;
" system reakcyjny polega na tym, \
e część spadku entalpii, jaki jest mo\
liwy w stopniu
turbiny zamienia się na energię kinetyczną w dyszach, czynnik przepływając przez wieniec
wirnikowy ekspanduje nadal.
2
3. Dane charakterystyczne turbiny
Podstawą ekonomiczności siłowni cieplnej jest zarówno sprawność zainstalowanych urządzeń,
jak i właściwa eksploatacja. Aby stwierdzić, w jakim stopniu są spełnione zało\
enia, prowadzi siÄ™
badania dające ocenę sprawności siłowni lub poszczególnych maszyn i urządzeń. Szczególne
znaczenie mają badania turbin parowych  kluczowych elementów siłowni cieplnej. Sprawność
turbiny w istotny sposób decyduje o sprawności całej siłowni cieplnej.
Do określenia turbiny wystarczają podstawowe dane charakterystyczne:
" rodzaj turbiny z punktu widzenia sposobu wykorzystania energii cieplnej pary
odprowadzonej z turbiny (kondensacyjna, przeciwprÄ™\
na, upustowo-kondensacyjna,
upustowo-przeciwprÄ™\
na);
" moc znamionowa;
" prędkość obrotowa;
" ciśnienie i temperatura pary dolotowej;
" w układach z międzystopniowym przegrzewem  temperatura pary wtórnie przegrzanej;
" w turbinach przeciwprÄ™\
nych  ciśnienie pary wylotowej;
" w turbinach upustowych  ciśnienie i ilość pary upustowej;
Tabela. 1. Miejsce pomiaru parametrów określających stan czynnika
Lp. Czynnik Miejsce pomiaru
1. para dolotowa przed zaworem szybkozamykajÄ…cym
w turbinie przeciwprÄ™\
nej  w króćcu
wylotowym lub bezpośrednio za nim;
2. para wylotowa
w turbinie kondensacyjnej  w gardzieli
skraplacza
3. skropliny ze skraplacza w rurociÄ…gu skroplin u wylotu ze skraplacza
skropliny podgrzane w w rurociÄ…gu skroplin za ostatnim
4.
podgrzewaczach regeneracyjnych podgrzewaczem
5. para upustowa rurociąg bezpośrednio za wylotem z turbiny
woda chłodząca dopływająca do w pobli\
u kołnierza na wejściu wody
6.
skraplacza chłodzącej do skraplacza
woda chłodząca odpływająca ze w pobli\
u kołnierza na wyjściu wody
7.
skraplacza chłodzącej ze skraplacza
3
4. Badanie cieplne turbin parowych
4.1. Schemat układu cieplnego bloku ciepłowniczego BC-100
WP SP
Turbina 13UC100
1 2 3 4 5 6
OP-430
XB XA
PS
ODG
PZ
XN3 XN2 XN1
PK
ROZP
Rys. 1. Schemat układu cieplnego bloku ciepłowniczego BC-100 wraz z zaznaczonymi osłonami
bilansowymi turbiny i turbozespołu. ODG  odgazowywacz, ROZP  rozprę\
acz, XN1-XN3 
podgrzewacze regeneracyjne, XA i XB  podgrzewacze wody sieciowej, PZ  pompa zasilajÄ…ca, PK 
pompa kondensatu, PS  pompa wody sieciowej
4.2. Obliczenia cieplno-bilansowe bloku ciepłowniczego BC-100
Z przeprowadzonych pomiarów (zob. tabela pomiarowa) wynika, \
e w układzie kontrolno-
pomiarowym bloku BC-100 nie ma pomiaru strumienia masy pary pobieranej z drugiego upustu (D2)
oraz strumieni masy pary (D5 i D6) kierowanej na wymienniki ciepłownicze (podgrzewacze wody
sieciowej) XA i XB.
XB D5
D6
XA
i i
5 6
tw3 tw2 tw1
pw3 pw1
, ,
i
5 6
Dws i
Rys. 2. Wymienniki ciepłownicze XA i XB
4
Bilans cieplny wymiennika ciepłowniczego (sieciowego) XA
Z bilansu wymiennika wyznaczamy strumień masy pary D6 w kg/s:
'
D6 Å"·w Å"(i6 - i6)= Dws Å"cw Å"(tw2 - tw1)
gdzie:
·w  sprawność wymiennika ciepÅ‚owniczego, do obliczeÅ„ przyjmujemy równÄ… 0,98;
i6  entalpia pary przegrzanej odczytana dla t6 i p6; jeśli rozprę\
anie pary w turbinie kończy się
'
na linii x=1, wtedy do obliczeń przyjmujemy i6' , czyli entalpię pary nasyconej suchej
odczytaną dla ciśnienia nasycenia, kJ/kg;
'
i6  entalpia wody w stanie nasycenia odczytana dla ciśnienia p6 (lub temperatury t6) nasycenia,
kJ/kg;
Dws  strumień masy wody sieciowej, kg/s;
cw  średnie ciepło właściwe wody, do obliczeń przyjmujemy 4,187 kJ/kgK;
tw1  temperatura wody sieciowej przed wymiennikiem XA, °C;
tw2  temperatura wody sieciowej za wymiennikiem XA, °C.
Bilans cieplny wymiennika ciepłowniczego (sieciowego) XB
Z bilansu wymiennika wyznaczamy strumień masy pary D5 w kg/s:
'
D5 Å"·w Å"(i5 - i5)= Dws Å"cw Å"(tw3 - tw2)
gdzie:
·w  sprawność wymiennika ciepÅ‚owniczego, do obliczeÅ„ przyjmujemy równÄ… 0,98;
i5  entalpia pary przegrzanej odczytana dla t5 i p5; jeśli rozprę\
anie pary w turbinie kończy się
'
na linii x=1, wtedy do obliczeń przyjmujemy i5' , czyli entalpię pary nasyconej suchej
odczytaną dla ciśnienia nasycenia, kJ/kg;
'
i5  entalpia wody w stanie nasycenia odczytana dla ciśnienia p5 (lub temperatury t5) nasycenia,
kJ/kg;
tw2  temperatura wody sieciowej przed wymiennikiem XB, °C;
tw3  temperatura wody sieciowej za wymiennikiem XB, °C.
Bilans masowy turbiny
Z bilansu wyznaczamy strumień masy pary pobierany w drugim upuście
D2 = Dp -(D1 + D3 + D4 + D5 + D6), kg/s
5
Bilans cieplny turbiny (pierwsza osłona bilansowa)
QD = Nu + Qciep + Qreg + Sm + Sr
Strumień ciepła doprowadzony do turbiny w parze przegrzanej
QD = Dp Å"ip , kW
gdzie: Dp  strumień masy pary kierowany na turbinę (suma lewa + prawa strona), kg/s;
ip  entalpia pary przegrzanej w kJ/kg odczytana dla temperatury tp i ciśnienia pp.
Strumień ciepła odprowadzany na wymienniki ciepłownicze XA i XB
Qciep = D5 Å"i5 + D6 Å"i6 , kW
gdzie: D5  strumień masy pary kierowany na wymiennik ciepłowniczy XB, kg/s;
i5  entalpia pary w pierwszym wylocie ciepłowniczym, kJ/kg;
D6  strumień masy pary kierowany na wymiennik ciepłowniczy XA, kg/s;
i6  entalpia pary w drugim wylocie ciepłowniczym, kJ/kg;
Strumień ciepła odprowadzany do regeneracyjnych podgrzewaczy wody zasilającej
Qreg = D1 Å"i1 + D2 Å"i2 + D3 Å"i3 + D4 Å"i4 , kW
gdzie: D1÷D4  strumienie pary w upustach 1÷4, kg/s;
i1÷i4  entalpie pary w upustach 1÷4, kJ/kg;
Moc wewnętrzna turbiny
Ni = Dp Å"(ip - i1)+(Dp - D1)Å"(i1 - i2)+(Dp - D1 - D2)Å"(i2 - i3)+(Dp - D1 - D2 - D3)Å"(i3 - i4)+
+(Dp - D1 - D2 - D3 - D4)Å"(i4 - i5)+(Dp - D1 - D2 - D3 - D4 - D5)Å"(i5 - i6),kW
Moc u\
yteczna turbiny
Nu =·m Å" Ni , kW
gdzie: ·m  sprawność mechaniczna, do obliczeÅ„ przyjmujemy równÄ… 0,96
Moc tracona w wyniku strat mechanicznych
Sm = Ni - Nu = (1-·m)Å" Ni , kW
Reszta strat
Sr = QD -(Nu + Qciep + Qreg + Sm), kW
6
Sprawność wewnętrzna turbiny
Ni
·i =
Nt
gdzie: Nt  moc teoretyczna turbiny jest funkcjÄ… strumienia masy pary i izentropowego spadku
entalpii, kW;
Ni  moc wewnętrzna przekazana przez parę wirnikowi turbiny jest funkcją strumienia masy
pary i rzeczywistego spadku entalpii, kW;
Sprawność ogólna turbiny
·OT =·i Å"·m
Bilans cieplny turbozespołu (druga osłona bilansowa)
QD = Nel + Qciep + Qreg + Sm + Sg + Sr
Moc elektryczna turbozespołu
Nel =·g Å" Nu , kW
gdzie: ·el  sprawność generatora, do obliczeÅ„ przyjmujemy równÄ… 0,986
Straty mocy w generatorze
Sg = Nu - Nel = (1-·g )Å" Nu = (1-·g )Å"·m Å" Ni , kW
Reszta strat turbozespołu
Sr = QD -(Nel + Qciep + Qreg + Sm + Sg ), kW
Sprawność ogólna turbozespołu
·OTZ =·i Å"·m Å"·g
7
4.3. Graficzne przedstawienie bilansu turbiny i turbozespołu  wykres Sankeya
W sprawozdaniu nale\
y sporządzić wykres Sankeya dla turbiny (pierwsza osłona bilansowa) i
turbozespołu (druga osłona bilansowa). Na rysunku 3 przedstawiono przykładowy wykres dla
turbiny.
Sm Qreg
Qciep
Rys. 3. Wykres Sankeya  bilans energii w turbinie
4.4. Graficzne przedstawienie rozprÄ™\
ania pary w turbinie
Na fragmencie wykresu i-s dla pary wodnej (Załącznik B), nale\
y zaznaczyć kolejne etapy
rozprÄ™\
ania pary w turbinie.
Przy opracowaniu instrukcji korzystano z  Pomiary cieplne i energetyczne , prac. zbiorowa pod red. M. Mieszkowskiego, Wydanie II,
WNT, Warszawa 1985
8
D
Q
u
N
Załącznik A
Ćwiczenie nr 15. Badanie turbiny parowej
.................................................................. .......................................... ............................
ImiÄ™ i nazwisko Nr grupy Data
pb = .................... hPa
Arkusz pomiarowy
Wielkość mierzona Symbol Jednostka Wartość
Strumień masy pary świe\
ej D Mg/h
p
Temperatura pary świe\
ej t °C
p
Ciśnienie pary świe\
ej p MPa
p
Strumień masy pary w upuście nr 1 D Mg/h
1
Temperatura pary w upuÅ›cie nr 1 t °C
1
Ciśnienie pary w upuście nr 1 p MPa
1
Strumień masy pary w upuście nr 2 D Mg/h
2
Temperatura pary w upuÅ›cie nr 2 t °C
2
Ciśnienie pary w upuście nr 2 p MPa
2
Strumień masy pary w upuście nr 3 D Mg/h
3
Temperatura pary w upuÅ›cie nr 3 t °C
3
Ciśnienie pary w upuście nr 3 p kPa
3
Strumień masy pary w upuście nr 4 D Mg/h
4
Temperatura pary w upuÅ›cie nr 4 t °C
4
Ciśnienie pary w upuście nr 4 p kPa
4
Strumień masy pary w I wylocie ciepł. D kg/s
5
Temperatura pary w I wylocie ciepÅ‚. t °C
5
Ciśnienie pary w I wylocie ciepł. p kPa
5
Strumień masy pary w II wylocie ciepł. D kg/s
6
Temperatura pary w II wylocie ciepÅ‚. t °C
6
Ciśnienie pary w II wylocie ciepł. p kPa
6
Temperatura wody sieciowej przed
t °C
w1
wymiennikiem XA
Ciśnienie wody sieciowej przed
p MPa
w1
wymiennikiem XA
Temperatura wody sieciowej pomiędzy
t °C
w2
wymiennikami XA i XB
Temperatura wody sieciowej za
t °C
w3
wymiennikiem XB
Ciśnienie wody sieciowej za wymiennikiem
p MPa
w3
XB
Strumień masy wody sieciowej D Mg/h
ws
9
Para
świe\
a
Upusty pary
Parametry wody sieciowej
Wyloty ciepłownicze
Załącznik B
10