ANEKS

Turbina Parowa

Jakie są zastosowania turbiny parowej? : Turbina parowa jest podstawową maszyną wytwarzającą moc mechaniczną wykorzystywaną do napędu generatorów elektrycznych w elektrowniach parowych (przede wszystkim węglowych i jądrowych, znacznie rzadziej geotermalnych czy solarnych), elektrociepłowniach i układach gazowo-parowych. Fakt ten stawia ją na pierwszym miejscu wśród maszyn nakręcających rozwój gospodarczy (wiek XIX – maszyna parowa, wiek XX i XXI – turbina parowa). Bez istnienia turbiny parowej wystąpiłby prawdopodobnie deficyt energii elektrycznej na świecie.

Co to jest Turbina? : silnik przepływowy wykorzystujący energię przepływającego czynnika do wytwarzania energii mechanicznej. Elementem wirnika oddziałującym z płynem są specjalnie ukształtowane łopatki.

Co to jest Kierownica? : składa się z łopatek i jest nieruchomo przymocowana do korpusu turbiny. Nie może ona stykać się z wirnikiem, a przepływ gazu między ruchomym wałem wirnika i nieruchomą kierowniczą ograniczony jest dzięki zastosowaniu odpowiednich uszczelnień, zwykle labiryntowych. W turbinach cieplnych osiowych wieniec kierowniczy wraz z wieńcem wirnikowym stanowi jeden stopień turbiny osiowej. Ma za zadanie odpowiednio przyspieszyć i ukierunkować czynnik napływający na łopatki wirnika.

Sprawność: Sprawność ogólnie rzecz biorąc rozumiemy jako współczynnik wskazujący doskonałość przemiany energii chemicznej paliwa w cieplną energię pary. Sprawność turbiny wskazuje na doskonałość przemiany energii cieplnej pary na energię mechaniczną. Sprawność turbin parowych mieści się w zakresie od ~20% do ~60%.

Parametry pracy:

Moc mechaniczna 

gdzie:  – masowe natężenie przepływu czynnika, [kg/s] i₁ – entalpia czynnika przed turbiną, [J/kg] i₂ – entalpia czynnika za turbiną, [J/kg] c₂- prędkość bezwzględna czynnika na wylocie z ostatniego stopnia, [m/s] η_m- sprawność mechaniczna.

Dla założonych jednostek, wynik obliczeń będzie podany w watach [W].

Sprawność wewnętrzna (dla turbin cieplnych)

gdzie: i₁ – entalpia czynnika przed turbin, i₂ – entalpia czynnika za turbiną i_2s – entalpia czynnika za turbiną po ekspansji izentropowej

Prędkość obrotowa n, [obr./s] lub [obr./min], zależna od wymagań napędzanej maszyny. W elektrowniach cieplnych maszyną napędzaną jest generator elektryczny (zwykle synchroniczny, rzadziej asynchroniczny). Dla częstotliwości sieci elektrycznej stosowanej w Europie 50 Hz prędkość obrotowa synchroniczna wynosi 3000 obr./min (generator z jedną parą biegunów), 1500 (dwie pary biegunów), 1000 (trzy pary biegunów), itd. Generator synchroniczny może obracać się tylko z prędkością synchroniczną, generator asynchroniczny z prędkością nieznacznie większą (o poślizg). W Stanach Zjednoczonych stosowana jest częstotliwość sieci 60 Hz, więc prędkość synchroniczna wyniesie 3600 obr./min (jedna para biegunów) i odpowiednio mniej dla większej ilości biegunów. Wynika z tego, że prędkość obrotowa generatora elektrycznego współpracującego z siecią elektryczną jest ograniczona. Jeśli turbina miałaby się obracać z prędkością większą (co jest korzystne ze względów aerodynamicznych), konieczne byłoby zastosowanie reduktorów, co jest możliwe tylko przy stosunkowo niewielkich mocach. Jeśli maszyną napędzaną nie jest generator elektryczny współpracujący z siecią elektryczną, lecz inna maszyna, np. sprężarka, pompa, generator elektryczny nie współpracujący z siecią sztywną, mini-obrabiarka, to prędkość obrotowa może być inna. Zwykle korzystna jest prędkość obrotowa znacznie większa (zależy ona silnie od średnicy podziałowej stopnia), i może osiągać prędkości obrotowe rzędu kilku – kilkunastu tysięcy obr./min, a w turbosprężarkach może przekraczać nawet 100 tys. obr./min. Dobór prędkości obrotowej uwarunkowany jest wtedy zwykle maksymalną sprawnością wewnętrzną turbiny, ewentualnie sprawnością maszyny odbierającej moc.

Dopuszczalna temperatura czynnika przed turbiną – T . Podnoszenie tego parametru jest podstawowym sposobem podniesienia sprawności cieplnej i mocy jednostkowej układów turbogazowych. Ograniczenie stanowi żarowytrzymałość materiałów wykorzystywanych na łopatki pierwszego stopnia turbiny. Dzisiejszy stan techniki umożliwia stosowanie materiałów odpornych na temperatury ok. 1000 °C. Aby zastosować wyższe temperatury czynnika na wlocie do turbiny konieczne jest zastosowanie chłodzenia łopatek kierowniczych i wirnikowych pierwszych stopni. Do chłodzenia wykorzystywane jest powietrze pobierane z wylotu sprężarki. Przepływa ono minikanalikami wewnątrz łopatek, po czym wypływa w pobliżu krawędzi natarcia tworząc dodatkowo cienki film powietrzny, zmniejszając intensywność nagrzewania się materiału od czynnika. Zastosowanie chłodzenia łopatek umożliwiło wzrost temperatury czynnika do ponad 1400 °C. Drogie materiały i bardzo skomplikowana technologia wykonania łopatek turbiny gazowej są przyczyną wysokich kosztów wysokosprawnych układów turbogazowych.

Ciśnienie czynnika na wlocie do turbiny – p. Wzrost ciśnienia pary na wlocie do turbiny parowej ma prawie zawsze korzystne działanie na sprawność i moc jednostkową układu. Wysokie ciśnienie uzyskiwane jest przed kotłem parowym, czyli po stronie wodnej. Możliwe jest więc zastosowanie pompy wodnej. Podnoszenie ciśnienia wody jest stosunkowo mało energochłonne, a sama pompa jest wielokrotnie mniejsza i tańsza od sprężarki. Uzyskanie wysokiego ciśnienia jest więc stosunkowo proste i powoduje zużycie niewielkiej części mocy mechanicznej pozyskiwanej z wału turbiny parowej. W układzie parowym ciśnienie maksymalne ograniczone jest zwykle konstrukcją kotła parowego. Wzrost ciśnienia powoduje bowiem konieczność stosowania coraz grubszych ścianek wszystkich elementów wymieniających ciepło, a to z kolei prowadzi do wzrostu kosztów kotła, zmniejsza elastyczność oraz zwiększa problemy termowytrzymałościowe. W powszechnie stosowanych w polskiej energetyce cieplnej układach parowych ciśnienia pary na wlocie do turbiny zawierają się w granicach od 10 do 20 MPa. W najbardziej zaawansowanych układach stosowane są ciśnienia rzędu 30 MPa. W układach parowych ciśnienie na wlocie do turbiny jest więc wielokrotnie wyższe, niż w układach gazowych.

Ciśnienie czynnika na wylocie z turbiny obniżanie ciśnienia na wylocie z turbiny zwiększa rozporządzalny spadek energii całkowitej czynnika. Im większy jest ten spadek, tym większą moc jednostkową i sprawność możemy uzyskać w wyniku konwersji energii. Metoda obniżania ciśnienia czynnika na wylocie z turbiny jest zależna od rodzaju turbiny. W turbinach parowych niskie ciśnienie pary na wylocie z turbiny uzyskiwane jest w wyniku skraplania pary w niskich temperaturach, dzięki czemu uzyskiwana jest tzw. próżnia wskraplaczu (im niższa temperatura medium chłodzącego skraplacz, tym niższe ciśnienie można uzyskać).

Obieg pary:

Obieg Rankine'a (dokładniej obieg Clausiusa-Rankine'a) jest obiegiem porównawczym dla procesów, w których zachodzi parowanie i skraplanie czynnika roboczego np. dla konwencjonalnych lub jądrowych siłowni parowych, agregatów chłodziarek.

Jest on złożony z następujących przemian:

• 1 - 2 - izentropowego (adiabatycznego) rozprężania pary w turbinie parowej,

• 2 - 3 - izobarycznego skroplenia rozprężonej pary (odprowadzenia ciepła w skraplaczu),

• 3 - 4 - izentropowego, pompowania kondensatu w pompie,

• 4 - 1 - izobarycznego podgrzewania cieczy (wody), jej odparowania oraz przegrzewania powstałej pary w kotle parowym lub wytwornicy pary.

Schemat instalacji cyklu. Ke - kocioł parowy, T - turbina, G - generator, Ko - skraplacz, Sp - pompa wody zasilającej