для чего нужен турбогенератор
Все о турбогенераторах
Турбогенераторы представляют собой генераторы синхронного типа, которые напрямую подсоединены к ТЭС.
Турбины ТЭС работают на органическом топливе и поэтому обладают самыми высокими показателями экономичности. Особенно это касается большой частоты их вращения.
Это генерирующее оборудование обеспечивает около 80 процентов суммарного мирового объема вырабатываемой электрической энергии.
Основной задачей турбогенератора является трансформация механической энергии паровой либо газовой турбины в электрическую. Осуществляется это при большой скорости вращения ротора (от 3000 до 15000 оборотов в минуту).
Турбогенераторы – это довольно непростой тип электрических агрегатов, в котором сочетаются:
Исполняются данные устройства горизонтально и имеют возбуждающую обмотку с неявно выраженными полюсами, которая находится на самом роторе. А на статоре располагается трехфазная обмотка.
Принцип работы турбогенератора
Механическая энергия самой турбины превращается в электрическую. Это возможно благодаря вращающемуся магнитному полю, создаваемого с помощью непрерывного тока, протекающему в обмотке самого ротора. Это способствует и формированию трехфазного переменного тока, а также напряжению в статоре (его обмотках). Крутящий момент от двигателя передается на ротор генератора.
Данная характеристика турбогенератора позволяет при обращении ротора образовывать магнитный момент, который и создает электрический ток в его обмотках. Благодаря системе возбуждения в агрегате обеспечивается поддержка постоянного напряжения на всех режимах функционирования данного устройства.
Циркуляция воды в теплообменниках и газоохладителях происходит при помощи насосов, которые располагаются вне самого турбогенератора.
Паровой турбогенератор
Паровой турбогенератор обладает повышенной надежностью своей работы, при этом развивая проектную мощность постоянно на протяжении многих часов работы. Такие современные устройства могут обладать мощностью до 1300 МВт. Зачастую, паровые турбогенераторы могут работать параллельно. Передача мощности при этом может осуществляться в одну электрическую цепь.
Тепловая экономичность электростанции, в которой установлен паровой турбогенератор, напрямую зависит от видов и параметров теплового цикла использования тепла образовавшегося пара, а также от самого оборудования и его характеристик.
Зачастую, паровая турбина турбогенератора, обладающая небольшой мощностью, монтируется в промышленных котельных, там где используется мазута или твердое топливо. Турбины тут функционируют в качестве дросселирующих устройств редукционно-охладительных установок, на разнице величины давления от котла до промышленного отбора, либо же теплообменника. /p>
Мощность турбогенератора, работающего в данной отрасли, находится в пределах от 250 киловатт до 5 Мегаватт. Такая установка позволяет получить очень дешевую электрическую энергию. Она получается в восемь раз дешевле покупной. А все оборудование, при работе больше чем 5000 часов в год, сможет быстро окупить себя, уже за три года.
Паровая турбина турбогенератора маленькой нагрузки может применяться не только лишь в качестве привода электрогенератора, но также и для приведения в действия устройств, необходимых для работы котельных любого назначения.
Статор турбогенератора
Он изготавливается из корпуса, в котором имеется сердечник с углублениями для установки в них обмотки. В основу сердечника входят слои, которые набираются из нескольких листов стали (электротехнической), дополнительно имеющих лаковое покрытие. Между этими слоями имеются специальные каналы для вентиляции (порядка 5 – 10 сантиметров).
В месте, где находятся углубления, обмотка закрепляется при помощи клиньев, а ее передняя часть укреплена на специальных кольцах. Располагается она с конца статора. Сам сердечник помещен в прочный сварной корпус, изготовленный из стали.
Ротор турбогенератора
Чтобы сформировалась высокая прочность, ротор турбогенератора выпускают в виде толстого цилиндра из сплошной стальной заготовки. В таком случае используют углеродистую сталь, как правило, марки «35» (в случаи малой нагрузки данного агрегата).
Ротор турбогенератора оснащен двумя рядами отверстий, расположенных вдоль первых обмоточных отверстий. Необходимо это, чтобы закрепить там специальные балансировочные грузы. Длина ротора турбогенератора существенно меньше его активных размеров.
При частоте вращения порядка 3000 оборотов в минуту, ротор изготавливают диаметром в 1,2 метра. Обмотку делают из специальной полосовой меди с дополнительной присадкой серебра. Она удерживается в пазах благодаря дюралевым клиньям.
Для того, чтобы повысить тепловую стойкость ротора от воздействия на него обратных токов, сверху изоляции обмотки укладываются короткозамкнутые кольца, которые изготавливают в виде двухслойного медного гребенка.
Для повышения единичной мощности охлаждение турбогенератора делают более интенсивным, без существенного увеличения габаритов. Если нагрузка таких устройств превышает 50 Вт, то используют жидкое либо водородное охлаждение его обмоток.
Охлаждение турбогенераторов
Турбогенераторы с воздушным охлаждением
Изготавливаются такие агрегаты нагрузкой в 2,5; 4; 6; 12 и 20 МВт. Конструкция таких устройств осуществляется закрытым типом. Самовентиляция обеспечивается по закрытому циклу. Вращение воздуха в турбогенераторе происходит благодаря вентиляторам, которые закрепляются с обеих сторон внутри ротора.
Для того, чтобы избежать проникновения пыли вовнутрь, на валу имеются специальные воздушные уплотнители. А утечка воздуха компенсируется благодаря его засосу из внешней среды.
Устройства с водородным охлаждением
Это устройства, мощность которых составляет 60 и 100 Мегаватт.
Охлаждение турбогенератора, а именно роторных обмоток, исполняется напрямую водородом. Статор охлаждается косвенно и обдает сварную оболочку, которая газонепроницаема и неразъемная.
Агрегаты, охлаждаемые водой
Обмотки ротора и статора устройств такого типа охлаждаются при помощи непосредственной подачи воды. Сталь сердечника статора отстужается при помощи специально предназначенных охладителей, изготовленных из силумина. Воздух, который заполняет сам генератор, охлаждается водой.
Объединенное охлаждение
Такие устройства с водородно-водяным охлаждением бывают мощностью 160 – 1200 Мегаватт. А количество оборотов в минуту составляет 3000. Такие агрегаты имеют прямое охлаждение обмотки статора при помощи дистиллированной воды, а ротора – водородом. Наружная их поверхность охлаждается при помощи только лишь водорода.
Корпус таких агрегатов изготавливается цельным, сварным, газонепроницаемым, неразъемным, а также, его внутренняя поверхность обладает дополнительными поперечными кольцами жесткости, которая способствует закреплению сердечника. С двух сторон статор закрывается наружными пластинами.
Это касается таких агрегатов, нагрузка которых составляет 160 – 220 МВт. Если же мощность турбогенератора составляет 300 – 800 Мегаватт, то каркас таких устройств выполняется разъемным из трех секций. Заполняется он водородом, который потом обращается с помощью двух осевых вентиляторов, закрепленных на самом роторе. Остужается он в газоохладители турбогенератора.
Возбуждающий режим
В виде основного такого метода служит бесщеточная система. Возбудитель закрытого типа обладает изолированной вентиляцией. Для турбогенераторов, производительность которых составляет 160 – 800 Мегаватт, используется тиристорная система, с самостоятельной активизацией. Сам возбудитель представляет собой синхронный трехфазный генератор переменного тока.
При помощи термопреобразователей осуществляется проверка теплового режима главных узлов, а также охлаждающей системы. Подсоединяются они к установке центрального управления.
Благодаря специальной аппаратуре можно осуществлять контроль давления, расход охлаждающей воды, дистиллята, следить за давлением масла и т.п. С ее помощью происходит непрерывное отслеживание всех изменений заданных параметров от нормы.
На данных агрегатах устанавливают и специальные системы защиты. Такая характеристика турбогенератора сообщает о снижении уровня воды, расходуемой в газоохладителе.
Эксплуатация турбогенераторов
Самой большой проблемой при работе устройств с водородным охлаждением является борьба с утечкой воды. Перед вводом в эксплуатацию таких машин или после их капитального ремонта в обязательном порядке должна быть осуществлена проверка генератора, а также самой системы водородного охлаждения на ее газовую плотность.
Расход водорода в сутки не должен превышать более 10 процентов от общего его количества в данном агрегате. А стоячая его утечка – не превышать 5%. Также, следует помнить и знать, что при увеличении температуры уплотняющего масла растет и количество водорода, растворяемого в нем. Это может привести к утечке водорода.
Вибрационное состояние турбогенератора является одним из основных параметров, который отвечает за безопасность и надежность во время эксплуатации. Она может быть вызвана в ряду механических причин, обусловленных неуравновешенностью вращающихся узлов турбогенератора, нарушением конструкции подшипников, несимметричностью воздушных зазоров, замыканием витков в обмотках роторе, нарушением изоляции обмоток и т.п.
Допускается длительная работа турбогенератора при несимметричной мощности, когда обратный ток не больше восьми процентов от номинальной величины тока самого статора. При этом токи в фазах обязаны быть больше номинальных величин.
Продолжительная эксплуатация турбогенераторов обеспечивается и в том случае, если в этом случае они включаются при помощи метода «точной синхронизации».
При аварийном режиме устройство включать можно, но ток статора обязан быть не больше тройного номинального значения. Допустимая температура охлаждающего водорода составляет 40°С. Снижать ее менее 20 градусов нельзя. Если его температура растет, то следует снизить номинальную нагрузку генератора. Все значения уменьшения мощности имеются в инструкции по работе таких устройств.
Возможна работа данного устройства и при входном напряжении, не превышающего 110 процентов от номинального значения.
Для нормальной и бесперебойной работы турбогенератора, температура охлаждающей жидкости, находящейся в газоохладителе, должна быть 33 градуса. Минимальное ее значение составляет 15°С.
Турбогенераторы на выставке
Международная выставка «Электро» является крупнейшим мероприятием, на котором будет представлено электрооборудование для энергетики, электротехнике, автоматизации, а также промышленной световой техники.
Вы сможете увидеть множество сегментов и современных тенденций отрасли, начиная от генерации электрической энергии и завершая конечным ее потреблением; узнать, что такое турбогенератор, принцип его работы, виды, характеристики.
В данной выставке ежегодно участвуют предприятия их разных стран мира: Китая, Германии, Словении, Испании, Индии, Чехии и многих других.
На мероприятии «Электро» вы увидите:
Также, вы сможете пройти специальную программу обучения и подготовки персонала.
В отделе промышленной светотехники вы сможете ознакомиться с:
Придя на выставку «Электро», вы сможете узнать очень много интересных и современных технологий и оборудования. Это, несомненно, сможет помочь в развитии вашего бизнеса. А приобретение необходимого оборудования позволит вам эффективно модернизировать и ускорить ваше производство.
Организаторы данной выставки предоставляют возможность любой компании продемонстрировать свои новейшие разработки, что позволит занять особое место в презентационной программе.
Целью такого проекта является обращение внимания потенциальных покупателей на самые новые разработки и продвижение их на российском рынке. С его помощью вы сможете завлечь посетителей к своему проекту, который только вышел на рынок, рассказать о его преимуществах и новых технологических решениях.
Турбогенератор: назначение и принцип действия
Самым основным предназначением данного агрегата является преобразование энергии механического типа, получаемой вследствие вращения турбины (газовой или паровой), в электрическую. Данное преобразование является результатом вращения магнитного поля самого ротора в статоре. Возникает это поле из-за установленного на роторе магнита или тока постоянного напряжения. Это способствует возникновению тока в обмотках статора, а также переменного трёхфазного напряжения. Они прямо пропорциональны этому полю.
Принцип действия турбогенератора основан на выработке электрической энергии в довольно длительном номинальном режиме функционирования. При этом данные агрегаты соединены с паровыми либо же газовыми турбинами.
Применяются турбогенераторы на атомных и тепловых электростанциях.
В зависимости от мощности данного оборудования, его разделяют на три основные категории:
Что касается частоты вращения, то турбогенераторы бывают:
В устройство турбогенератора входит цилиндрический ротор, который монтируется на 2-х специальных подшипниках скольжения, и двухслойные обмотки статора.
В зависимости от того, какая применяется система возбуждения, эти агрегаты могут быть с независимым и статическим самовозбуждением, а также бесщёточными.
В зависимости от электрической мощности и самих технических задач энергоснабжения, различают следующие типы турбогенераторов с различными системами охлаждения:
Последний тип данных устройств чаще всего используют для работы на АЭС. Асинхронные же турбогенераторы нашли своё применение в энергетических системах с высокими колебаниями нагрузки и составе мощных ТЭЦ.
Агрегаты масляным и воздушным охлаждением применяют для работы на тепловых электростанциях (ТЭС), обладающих различной мощностью.
Срок службы турбогенераторов зависит от условий его эксплуатации. Также, на него влияет нагрев основных узлов (ротора, обмоток и сердечника статора) и охлаждающая среда. Кроме этого следует помнить и знать, что продолжительное превышение напряжения на трансформаторах, ограничителях напряжения, шунтирующих реакторах больше допустимого приводит к существенному снижению срока эксплуатации данного агрегата и росту аварийности.
Конструкция турбогенератора
Сюда входит два самых главных компонента – статор и ротор. Каждый из них обладает наличием множества элементов и систем. Ротор представляет собой вращающееся устройство турбогенератора. На него оказывают воздействие электромагнитные, механические и термические нагрузки. Статор же установлен стационарно. Но на него также влияют различные динамические нагрузки (высоковольтные, крутящие, вибрационные и др.).
Сердечник самого турбогенератора собирают из высоколегированной листовой горячекатаной стали. Если же его мощность превышает 100 МВт, то используется холоднокатаная сталь. Её листы расположены таким образом, чтобы направление, в котором движется магнитный поток в спинке самого сердечника, совпадало с направлением прокатки стали. Из этих листов набираются специальные пакеты, из которых уже формируются элементы сердечника.
Все имеющиеся вентиляционные каналы между этими пакетами изготавливаются при помощи распорок из стали немагнитного типа.
Обмотки статора делают двухслойными и стойкими к коррозии. В каждый имеющийся паз вставляются два стержня, которые относятся к двум различным секциям. В самих обмотках применяется непрерывная изоляция.
Статор турбогенератора включает в себя сам несущий корпус, в который устанавливается сердечник, и рёбра, жёстко связанные с опорными рамами. Между этими двумя элементами устанавливаются упругие детали. Изготавливаются они в виде прямоугольных эластичных призм. Между опорными площадками присутствуют сквозные овальные отверстия.
Паровая турбина турбогенератора
Это один из видов тепловых двигателей ротативного типа, который применяет энергию водяного пара. В ней происходит двукратное преобразование тепловой энергии пара в механическую работу.
По сравнению с поршневой машиной, паровая турбина является на много удобней в использовании, экономичной и компактной.
При истечении самого пара сквозь сопла, его потенциальная энергия трансформируется в кинетическую, передаваемую непосредственно на сами лопатки.
Комплект рабочих лопаток и неподвижных насадок называют ступенью турбины, которая может быть реактивной и активной.
Принцип действия данного устройства заключается в следующем. Через паропровод перегретый пар от котла подводится непосредственно к самой паровой турбине турбогенератора. Именно тут большая доля его тепловой энергии преобразуется в механическую работу. Затем этот отработанный с довольно сильно низким уровнем температуры и давления направляется в конденсатор. Тут присутствует система трубок, по которым постоянно прокачивается охлажденная вода.
После соприкосновения с холодной поверхностью пар конденсируется, превращаясь в воду. Этот образовавшийся конденсат откачивается насосом и подаётся в сборный бак через специально предназначенный подогреватель и затем в паровой котёл.
Отсюда можно сделать вывод, что в паровой турбине вода, пар и конденсат образуют замкнутый цикл.
Потеря пара и воды совсем незначительная, но она компенсируется при помощи добавления в саму систему сырой воды, проходящую заранее через очиститель воды. Ту т она подвергается специальной химической обработке, чтобы удалить все нежелательные примеси.
КПД турбогенератора
Величина данного параметра определяется самим заводом-изготовителем, а именно конструкцией и числом применённых активных материалов. Но стоит помнить, что только лишь обслуживающий персонал при нормальной работе турбогенератора способен увеличить коэффициент полезного действия путём минимизирования определённых потерь.
КПД данного агрегата равен отношению выдаваемой полезной мощности к той мощности, которая подводится к турбогенератору от турбины. Этот показатель зависит от нагрузки, которую несёт само устройство.
Для многих турбогенераторов максимальное значение данного коэффициента находится непосредственно в самой нагрузке, составляющей порядка 80-90% от номинальной. Это соответствует вполне нормальной работы турбины в экономичном режиме.
Примеры турбогенераторов на выставке
Данное международное мероприятие является самым масштабным не только в России, но и в странах СНГ. Тут будет осуществлён показ электрооборудования для энергетики, автоматизации, светотехники и электротехники.
Каждый посетитель выставки «Электро» в ЦВК «Экспоцентр» сможет увидеть самые актуальные и инновационные разработки в данной отрасли, начиная генерацией энергии и завершая её потреблением.
Здесь вы сможете более детально узнать о том, что такое турбогенератор, его назначение, типы, устройство и принцип работы.
На данной выставке ежегодно уже более 20 лет собираются ведущие специалисты и представители крупнейших производств со всего мира, чтобы обсудить самые актуальные вопросы и узнать много интересного в данной отрасли.
Паровые турбины: как горячий пар превращается в электричество
Учёные до сих пор бьются над поиском самых эффективных способов по выработке тока — прогресс устремился от гальванических элементов к первым динамо-машинам, паровым, атомным, а теперь солнечным, ветряным и водородным электростанциям. В наше время самым массовым и удобным способом получения электричества остаётся генератор, приводимый в действие паровой турбиной.
Паровые турбины были изобретены задолго до того, как человек понял природу электричества. В этом посте мы упрощённо расскажем об устройстве и работе паровой турбины, а заодно вспомним, как древнегреческий учёный опередил своё время на пятнадцать веков, как произошёл переворот в деле турбиностроения и почему Toshiba считает, что тридцатиметровую турбину надо изготавливать с точностью до 0,005 мм.
Как устроена паровая турбина
Принцип работы паровой турбины относительно прост, а её внутреннее устройство принципиально не менялось уже больше века. Чтобы понять принцип работы турбины, рассмотрим, как работает теплоэлектростанция — место, где ископаемое топливо (газ, уголь, мазут) превращается в электричество.
Сама по себе паровая турбина не работает, для функционирования ей нужен пар. Поэтому электростанция начинается с котла, в котором горит топливо, отдавая жар трубам с дистиллированной водой, пронизывающим котел. В этих тонких трубах вода превращается в пар.
Понятная схема работы ТЭЦ, вырабатывающей и электричество, и тепло для отопления домов. Источник: Мосэнерго
Турбина представляет собой вал (ротор) с радиально расположенными лопатками, словно у большого вентилятора. За каждым таким диском установлен статор — похожий диск с лопатками другой формы, который закреплён не на валу, а на корпусе самой турбины и потому остающийся неподвижным (отсюда и название — статор).
Пару из одного вращающегося диска с лопатками и статора называют ступенью. В одной паровой турбине десятки ступеней — пропустив пар всего через одну ступень тяжёлый вал турбины с массой от 3 до 150 тонн не раскрутить, поэтому ступени последовательно группируются, чтобы извлечь максимум потенциальной энергии пара.
На вход в турбину подаётся пар с очень высокой температурой и под большим давлением. По давлению пара различают турбины низкого (до 1,2 МПа), среднего (до 5 МПа), высокого (до 15 МПа), сверхвысокого (15—22,5 МПа) и сверхкритического (свыше 22,5 МПа) давления. Для сравнения, давление внутри бутылки шампанского составляет порядка 0,63 МПа, в автомобильной шине легковушки — 0,2 МПа.
Чем выше давление, тем выше температура кипения воды, а значит, температура пара. На вход турбины подается пар, перегретый до 550-560 °C! Зачем так много? По мере прохождения сквозь турбину пар расширяется, чтобы сохранять скорость потока, и теряет температуру, поэтому нужно иметь запас. Почему бы не перегреть пар выше? До недавних пор это считалось чрезвычайно сложным и бессмысленным —нагрузка на турбину и котел становилась критической.
Паровые турбины для электростанций традиционно имеют несколько цилиндров с лопатками, в которые подается пар высокого, среднего и низкого давления. Сперва пар проходит через цилиндр высокого давления, раскручивает турбину, а заодно меняет свои параметры на выходе (снижается давление и температура), после чего уходит в цилиндр среднего давления, а оттуда — низкого. Дело в том, что ступени для пара с разными параметрами имеют разные размеры и форму лопаток, чтобы эффективней извлекать энергию пара.
Но есть проблема — при падении температуры до точки насыщения пар начинает насыщаться, а это уменьшает КПД турбины. Для предотвращения этого на электростанциях после цилиндра высокого и перед попаданием в цилиндр низкого давления пар вновь подогревают в котле. Этот процесс называется промежуточным перегревом (промперегрев).
Цилиндров среднего и низкого давления в одной турбине может быть несколько. Пар на них может подаваться как с края цилиндра, проходя все лопатки последовательно, так и по центру, расходясь к краям, что выравнивает нагрузку на вал.
Вращающийся вал турбины соединён с электрогенератором. Чтобы электричество в сети имело необходимую частоту, валы генератора и турбины должны вращаться со строго определённой скоростью — в России ток в сети имеет частоту 50 Гц, а турбины работают на 1500 или 3000 об/мин.
Упрощённо говоря, чем выше потребление электроэнергии, производимой электростанцией, тем сильнее генератор сопротивляется вращению, поэтому на турбину приходится подавать бо́льший поток пара. Регуляторы частоты вращения турбин мгновенно реагируют на изменения нагрузки и управляют потоком пара, чтобы турбина сохраняла постоянные обороты. Если в сети произойдет падение нагрузки, а регулятор не уменьшит объём подаваемого пара, турбина стремительно нарастит обороты и разрушится — в случае такой аварии лопатки легко пробивают корпус турбины, крышу ТЭС и разлетаются на расстояние в несколько километров.
Как появились паровые турбины
Примерно в XVIII веке до нашей эры человечество уже укротило энергию стихии, превратив её в механическую энергию для совершения полезной работы — то были вавилонские ветряные мельницы. К II веку до н. э. в Римской империи появились водяные мельницы, чьи колёса приводились в движение нескончаемым потоком воды рек и ручьёв. И уже в I веке н. э. человек укротил потенциальную энергию водяного пара, с его помощью приведя в движение рукотворную систему.
Эолипил Герона Александрийского — первая и единственная на следующие 15 веков реактивная паровая турбина. Источник: American Mechanical Dictionary / Wikimedia
Греческий математик и механик Герон Александрийский описал причудливый механизм эолипил, представляющий собой закреплённый на оси шар с исходящими из него под углом трубками. Подававшийся в шар из кипящего котла водяной пар с силой выходил из трубок, заставляя шар вращаться. Придуманная Героном машина в те времена казалась бесполезной игрушкой, но на самом деле античный учёный сконструировал первую паровую реактивную турбину, оценить потенциал которой удалось только через пятнадцать веков. Современная реплика эолипила развивает скорость до 1500 оборотов в минуту.
В XVI веке забытое изобретение Герона частично повторил сирийский астроном Такиюддин аш-Шами, только вместо шара в движение приводилось колесо, на которое пар дул прямо из котла. В 1629 году схожую идею предложил итальянский архитектор Джованни Бранка: струя пара вращала лопастное колесо, которое можно было приспособить для механизации лесопилки.
Активная паровая турбина Бранка совершала хоть какую-то полезную работу — «автоматизировала» две ступки.
Несмотря на описание несколькими изобретателями машин, преобразующих энергию пара в работу, до полезной реализации было еще далеко — технологии того времени не позволяли создать паровую турбину с практически применимой мощностью.
Турбинная революция
Шведский изобретатель Густаф Лаваль много лет вынашивал идею создания некоего двигателя, который смог бы вращать ось с огромной скоростью — это требовалось для функционирования сепаратора молока Лаваля. Пока сепаратор работал от «ручного привода»: система с зубчатой передачей превращала 40 оборотов в минуту на рукоятке в 7000 оборотов в сепараторе. В 1883 году Лавалю удалось адаптировать эолипил Герона, снабдив-таки молочный сепаратор двигателем. Идея была хорошая, но вибрации, жуткая дороговизна и неэкономичность паровой турбины заставили изобретателя вернуться к расчетам. 
Турбинное колесо Лаваля появилось в 1889 году, но его конструкция дошла до наших дней почти в неизменном виде.
Спустя годы мучительных испытаний Лаваль смог создать активную паровую турбину с одним диском. На диск с лопатками из четырех труб с соплами под давлением подавался пар. Расширяясь и ускоряясь в соплах, пар ударял в лопатки диска и тем самым приводил диск в движение. Впоследствии изобретатель выпустил первые коммерчески доступные турбины с мощностью 3,6 кВт, соединял турбины с динамо-машинами для выработки электричества, а также запатентовал множество новшеств в конструкции турбин, включая такую их неотъемлемую в наше время часть, как конденсатор пара. Несмотря на тяжёлый старт, позже дела у Густафа Лаваля пошли хорошо: оставив свою прошлую компанию по производству сепараторов, он основал акционерное общество и приступил к наращиванию мощности агрегатов.
Параллельно с Лавалем свои исследования в области паровых турбин вёл англичанин cэр Чарлз Парсонс, который смог переосмыслить и удачно дополнить идеи Лаваля. Если первый использовал в своей турбине один диск с лопатками, то Парсонс запатентовал многоступенчатую турбину с несколькими последовательно расположенными дисками, а чуть позже добавил в конструкцию статоры для выравнивания потока.
Турбина Парсонса имела три последовательных цилиндра для пара высокого, среднего и низкого давления с разной геометрией лопаток. Если Лаваль опирался на активные турбины, то Парсонс создал реактивные группы.
В 1889 году Парсонс продал несколько сотен своих турбин для электрификации городов, а еще пять лет спустя было построено опытное судно «Турбиния», развивавшее недостижимую для паровых машин прежде скорость 63 км/ч. К началу XX века паровые турбины стали одним из главных двигателей стремительной электрификации планеты.
Сейчас «Турбиния» выставляется в музее в Ньюкасле. Обратите внимание на количество винтов. Источник: TWAMWIR / Wikimedia
Турбины Toshiba — путь длиной в век
Стремительное развитие электрифицированных железных дорог и текстильной промышленности в Японии заставило государство ответить на возросшее электропотребление строительством новых электростанций. Вместе с тем начались работы по проектированию и производству японских паровых турбин, первые из которых были поставлены на нужды страны уже в 1920-х годах. К делу подключилась и Toshiba (в те годы: Tokyo Denki и Shibaura Seisaku-sho).
Первая турбина Toshiba была выпущена в 1927 году, она имела скромную мощность в 23 кВт. Уже через два года все производимые в Японии паровые турбины выходили из фабрик Toshiba, были запущены агрегаты с общей мощностью 7500 кВт. Кстати, и для первой японской геотермальной станции, открытой в 1966 году, паровые турбины также поставляла Toshiba. К 1997 году все турбины Toshiba имели суммарную мощность 100000 МВт, а к 2017 поставки настолько возросли, что эквивалентная мощность составила 200000 МВт.
Такой спрос обусловлен точностью изготовления. Ротор с массой до 150 тонн вращается со скоростью 3600 оборотов в минуту, любой дисбаланс приведёт к вибрациям и аварии. Ротор балансируется с точностью до 1 грамма, а геометрические отклонения не должны превышать 0,01 мм от целевых значений. Оборудование с ЧПУ помогает снизить отклонения при производстве турбины до 0,005 мм — именно такая разница с целевыми параметрами среди сотрудников Toshiba считается хорошим тоном, хотя допустимая безопасная погрешность на порядок больше. Также каждая турбина обязательно проходит стресс-тест при повышенных оборотах — для агрегатов на 3600 оборотов тест предусматривает разгон до 4320 оборотов.
Удачное фото для понимания размеров ступеней низкого давления паровой турбины. Перед вами коллектив лучших мастеров завода Toshiba Keihin Product Operations. Источник: Toshiba
Эффективность паровых турбин
Паровые турбины хороши тем, что при увеличении их размеров значительно растёт вырабатываемая мощность и КПД. Экономически гораздо выгодней установить один или несколько агрегатов на крупную ТЭС, от которой по магистральным сетям распределять электричество на большие расстояния, чем строить местные ТЭС с малыми турбинами, мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт. Дело в том, что при уменьшении габаритов и мощности в разы растёт стоимость турбины в пересчёте на киловатт, а КПД падает вдвое-втрое.
Электрический КПД конденсационных турбин с промперегревом колеблется на уровне 35-40%. КПД современных ТЭС может достигать 45%.
Если сравнить эти показатели с результатами из таблицы, окажется, что паровая турбина — это один из лучших способов для покрытия больших потребностей в электричестве. Дизели — это «домашняя» история, ветряки — затратная и маломощная, ГЭС — очень затратная и привязанная к местности, а водородные топливные элементы, про которые мы уже писали — новый и, скорее, мобильный способ выработки электроэнергии.
Интересные факты
Самая мощная паровая турбина: такой титул могут по праву носить сразу два изделия — немецкая Siemens SST5-9000 и турбина производства ARABELLE, принадлежащей американской General Electric. Обе конденсационных турбины выдают до 1900 МВт мощности. Реализовать такой потенциал можно только на АЭС.
Рекордная турбина Siemens SST5-9000 с мощностью 1900 МВт. Рекорд, но спрос на такие мощности очень мал, поэтому Toshiba специализируется на агрегатах с вдвое меньшей мощностью. Источник: Siemens
Самая маленькая паровая турбина была создана в России всего пару лет назад инженерами Уральского федерального университета — ПТМ-30 всего полметра в диаметре, она имеет мощность 30 кВт. Малютку можно использовать для локальной выработки электроэнергии при помощи утилизации избыточного пара, остающегося от других процессов, чтобы извлекать из него экономическую выгоду, а не спускать в атмосферу.
Российская ПТМ-30 — самая маленькая в мире паровая турбина для выработки электричества. Источник: УрФУ
Самым неудачным применением паровой турбины стоит считать паротурбовозы — паровозы, в которых пар из котла поступает в турбину, а затем локомотив движется на электродвигателях или за счет механической передачи. Теоретически паровая турбина обеспечивала в разы больший КПД, чем обычный паровоз. На деле оказалось, что свои преимущества, как то высокая скорость и надежность, паротурбовоз проявляет только на скоростях выше 60 км/ч. При меньшей скорости движения турбина потребляет чересчур много пара и топлива. США и европейские страны экспериментировали с паровыми турбинами на локомотивах, но ужасная надежность и сомнительная эффективность сократили жизнь паротурбовозов как класса до 10-20 лет.
Угольный паротурбовоз C&O 500 ломался почти каждую поездку, из-за чего уже спустя год после выпуска был отправлен на металлолом. Источник: Wikimedia