Паровые и газовые турбины

Паровые и газовые турбины Лекция Паровая турбина это тепловая машина предназначенная для преобразования потенциальной энергии пара в кинетическую энергию вращения ротора. Преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую энергию вращения ротора происходит в турбинной ступени. Турбинная ступень состоит из неподвижного соплового аппарата, направляющего поток пара на вращающиеся рабочие лопатки. При работе пара в турбинной ступени происходит его расширение и снижение параметров (давления и температуры). При расширении пара увеличивается его скорость (кинетическая энергия). Расширение пара может происходить как в соплах, так и в рабочих лопатках, в зависимости от профиля каналов (суживающиеся или расширяющиеся). Турбинные ступени, где расширение происходит только в соплах, называются активными. Турбинные ступени, где расширение происходит только в рабочих лопатках, называются реактивными. Первый прототип одноступенчатой активной турбины с расширяющимися соплами был предложен в 1883 г. шведским инженером Густ авом Лавалем. В этой турбине расширение пара происходило только в сопловой решетке одной ступени от начального до конечного давления, что обусловливало очень высокие скорости истечения пара из сопловых каналов. Недостатки турбин Лаваля: • Турбины Лаваля должны были иметь чрезмерно большую окружную скорость, а следовательно, и большую частоту вращения. Так, самые малые из турбин Лаваля (диаметр диска 100 мм, мощность около 2,5 кВт) имели частоту вращения 500 об/с. • Мощность наибольшей из построенных Лавалем турбин не превышала 500 кВт. К • Турбины имели очень низкий КПД. В 1884г. английский инженер Чарльз Парсонс предложил многоступенчатую реактивную турбину, расширение пара в которой происходило не в одной, а в ряде следующих друг за другом ступеней, причем не только в сопловых (неподвижных), но и в рабочих (вращающихся) решетках, В конце XIX в. в связи с развитием электрических машин и широким внедрением электроэнергии развитие паротурбостроения пошло быстрыми темпами. Первые паровые турбины в России начали выпускать в 1907 г. на Металлическом заводе в Петербурге. Количество тепла qту переданного к воде и пару в котле qту = h0 – hпв где h0 - энтальпия пара, вышедшего из перегревателя hпв - энтальпия питательной воды Тепло, сообщенное пару в парогенераторе и пароперегревателе, изображается в, Ts диаграмме площадью 1abcd2 . Тепло qк , отнятое от 1 кг пара при постоянном давлении в конденсаторе, при изо-энтропийном расширении пара в турбине определяется разностью энтальпий qк = hкt – hк' где hкt – энтальпия отработавшего в турбине пара hк' – энтальпия конденсата работа, которую можно получить от 1 кг па- ра, по закону сохранения энергии выразится в тепловых единицах разностью ИЛИ Где: • LTt - работа, которую может совершить 1 кг пара в идеальной турбине, называемая располагаемой работой • LН - работа, затрачиваемая в насосе. Площадь, эквивалентная работе L, заштрихована в ,Ts -диаграмме рис. 1.2. КПД идеального цикла турбинной установки. Эффективность технического устройства характеризуется коэффициентом полезного действия. Для паротурбинной установки основой преобразования энергии является цикл. Абсолютный КПД идеальной установки, работающей без потерь в турбине, т. е. при изоэнтропийном расширении пара, представляется отношением ИЛИ В паротурбинной установки работа на привод питательного насоса даже в уста- новках сверхкритических параметров не превосходит 5% от работы, развиваемой турбиной, поэтому для решения многих задач оценки эффективности цикла ей можно пренебречь. Если не учитывать работу насоса, то абсолютный КПД идеального цикла перепишется так: Разность начальной и конечной энтальпий при изоэнтропийном расширении пара H0= h0 - hkt находится непосредственно из ,hs -диаграммы принято называть располагаемым теплоперепадом. Мощности и КПД турбины. В действительности в турбине в результате потерь при расширении пара связанных с внутренним выделением теплоты, т.е. ростом энтропии в процессе расширения, линия процесса отклоняется от изоэнтропы, как это показано в ,hs диаграмме линией df . Таким образом, энтальпия к hk отработавшего пара выше, чем hkt , а фактически развиваемая 1 кг пара внутри турбины работа Lti = h0 - hk Работа, которую 1 кг пара развивает внутри турбины, называется использованным (действительным) теплоперепадом Hi. Отношение использованного теплоперепада к располагаемому называется относительным внутренним КПД Величина относительного внутреннего КПД турбины может быть найдена также путем сравнения мощности, развиваемой паром внутри турбины, и мощности идеальной машины. В самом деле, умножив числитель и знаменатель отношения на секундный расход массы пара G, получим в числителе внутреннюю мощность, развиваемую турбиной, а в знаменателе мощность идеальной турбины: Не вся мощность, развиваемая паром внутри турбины, используется потребителем, так как часть ее расходуется на преодоление механических потерь ∆Nм турбины. Эффективная мощность, развиваемая турбиной на муфте, соединяющей вал турбины с валом генератора, меньше внутренней мощности и равна: Отношение эффективной мощности к внутренней называется механическим КПД турбины Отношение эффективной мощности к мощности идеальной турбины называется относительным эффективным КПД турбины Если паровая турбина служит в качестве привода генератора электрического тока, то электрическая мощность Nэ , отдаваемая с выводов генератора, меньше эффективной мощности Nе турбины на величину потерь ∆N эг генератора: Отношение электрической мощности, отданной с выводов генератора, к эффективной мощности турбины, затрачиваемой на вращение ротора генератора, называется КПД электрического генератора и обозначается Отношение электрической мощности идеальной турбины относительным электрическим КПД мощности к называется Абсолютные КПД паротурбинной установки. Для оценки эффективности выработки различных мощностей в пределах паротурбинной установки вводится понятие абсолютных КПД. Так для выработки идеальной мощности абсолютным КПД является термический КПД цикла. Отношение тепла, превращенного в работу внутри турбины, к теплу, сообщенному рабочему телу в парогенераторе, называется абсолютным внутренним КПД Абсолютный внутренний КПД может быть представлен как отношение внутренней мощности к секундному расходу тепла, подведенного к рабочему телу в парогенераторе, т. е. Отношение эффективной мощности к расходуемому теплу абсолютный эффективным КПД Наконец, отношение электрической мощности, выраженной в тепловых единицах, к расходуемому в парогенераторе в единицу времени теплу называется абсолютным электрическим КПД Величина абсолютного КПД ηэ не характеризует эффективности всей электрической станции в целом, так как не учитывает потерь тепла в парогенераторе, расхода энергии на привод насосов (основная составляющая так называемых собственных нужд станции), потерь давления в трубопроводах и т. д. Иногда подсчитывают абсо- лютный КПД турбинной установки нетто, вычитая из мощности агрегата мощность, необходимую для привода питательного насоса: В практических расчетах мощность измеряется в ваттах (Дж/с) или киловаттах (кДж/с). Если теплоперепад Нi выражен в кДж/кг, а мощность Pi в кВт, то секундный массовый расход пара составит: