Паровые турбины

Развитие паротурбиностроения в настоящее время характеризуется увеличением единичных мощностей паровых турбин, повышением их надежности, экономичности и маневренности. Отечественная промышленность располагает большими производственными мощностями, квалифицированными кадрами и выпускает паровые турбины, зачастую превышающие по своим показателям лучшие мировые образцы.

Турбинами (от латинского слова turbo — вихрь, вращение) называют лопастные машины, не имеющие поршня и кривошипно-шатунного механизма и преобразующие кинетическую и потенциальную энергию потока рабочего тела в механическую энергию вращения вала. В зависимости от типа рабочего тела турбины разделяют на паровые, газовые и гидравлические.

В паровых турбинах рабочим телом, как правило, служит водяной пар. Паровая турбина является одним из основных элементов тепловой (ТЭС) и атомной (АЭС) электрических станций. Тепловые электрические станции, предназначенные для производства электроэнергии, называют конденсационными электростанциями (КЭС). Если на ТЭС водяной пар используется не только для выработки электроэнергии, но и для теплоснабжения, такую электростанцию называют теплоэлектроцентралью (ТЭЦ). Преобразование тепловой энергии в электрическую на ТЭС происходит в паротурбинной установке (ПТУ), основными элементами которой являются котел, турбина, конденсатор и электрический генератор.

В зависимости от назначения и характера теплового процесса паротурбинной установки различают несколько типов паровых турбин. Основные параметры и характеристики стационарных паровых турбин, устанавливаемых на ТЭЦ, ТЭС и АЭС для привода электрических генераторов, регламентируются Государственными стандартами. Электрические генераторы, которые приводятся во вращение турбиной, называют турбогенераторами.

Так, ГОСТ 3618—82 «Турбины паровые стационарные для привода турбогенераторов» распространяется на паровые турбины мощностью от 2,5 до 1600 МВт, имеющие следующие начальные параметры пара: абсолютное давление от 3,4 до 23,5 МПа и температуру от 435 до 565°С. Номинальная частота вращения ротора турбин, предназначенных для привода турбогенераторов ТЭС, составляет 50 с^-1. В зависимости от характера теплового процесса различают следующие типы паровых турбин.

Тип К — конденсационные паровые турбины, в которых весь пар, за исключением отборов на регенерацию, проходит через турбину и расширяется в ней до давления ниже атмосферного. Затем пар поступает в конденсатор, где теплота конденсации отдается охлаждающей воде и полезно не используется.

Тип П или Т — теплофикационные турбины с одним производственным (П) или теплофикационным (Т) отбором пара. В таких турбинах часть пара отбирается из промежуточной ступени и направляется к тепловому потребителю при автоматически поддерживаемом постоянном давлении. Остальной пар продолжает расширяться в последующих ступенях турбины, после чего направляется в конденсатор.

Тип ПТ — теплофикационные турбины с двумя регулируемыми отборами пара: производственным и отопительным. В этих турбинах часть пара отбирается при двух разных давлениях, а остальная его часть продолжает работать в последующих ступенях и поступает в конденсатор.

Тип Р — турбины с противодавлением без регулируемого отбора пара. В этих турбинах весь пар, за исключением отборов на регенерацию, расширяется до давления, необходимого тепловому потребителю. Причем это давление выше атмосферного. Конденсатор в ПТУ с турбинами типа Р отсутствует.

Тип ПР или TP — теплофикационные турбины с противодавлением и одним производственным (ПР) или теплофикационным (TP) регулируемым отбором пара. В этих турбинах часть пара отбирается из промежуточной ступени, а остальная его часть расширяется в последующих ступенях до давления выше атмосферного. Конденсатор в ПТУ с турбинами типа ПР или TP также отсутствует.

В обозначении турбин входят буквы и цифры. Буквы указывают тип турбины, а следующие после них группы цифр ― её мощность, начальное давление пара, давление отбираемого пара или её противодавление. Для конденсационных турбин указывается номинальная мощность, а для остальных ― номинальная и максимальная.

Как и парогенератор, турбинная установка имеет вспомогательное оборудование: конденсатор, циркуляционные насосы, масляную систему, питательные и конденсатные насосы, паровые или водяные эжекторы. Турбинная установка имеет множество автоматических систем управления и защиты.

Номинальной мощностью конденсационных турбин называют мощность, которую они развивают на зажимах турбогенератора при номинальных значениях основных параметров и использовании нерегулируемых отборов для постоянных собственных нужд ТЭС. Номинальная мощность турбин других типов —это наибольшая мощность, развиваемая на зажимах турбогенератора при номинальных значениях основных параметров. Максимальной мощностью этих турбин является мощность, развиваемая на зажимах турбогенератора при работе в конденсационном режиме, т.е. при отключенных регулируемых отборах пара.

Рассмотрим примеры обозначений паровых турбин:

К-210-130 — турбина типа К, номинальной мощностью 210 МВт с начальным абсолютным давлением пара 12,8 МПа (130 кгс/см²);

К-800-240 ― турбина типа К, номинальной мощностью 800 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 23,7 МПа (240 кгс/см²);

T-110/120-130 — турбина типа Т, номинальной мощностью 110 МВт и максимальной мощностью 120 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 12,8 МПа (130 кгс/см²);

ПТ-25/30-90/10 — турбина типа ПТ, номинальной мощностью 25 МВт и максимальной мощностью 30 МВт, с начальным абсолютным давлением 8,8 МПа (9 кгс/см²) и абсолютным давлением отбираемого пара 1,0 МПа (10 кгс/см²);

Р-100/105-130/15 — турбина типа Р, номинальной мощностью 100 МВт и максимальной мощностью 105 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 12,8 МПа (130 кгс/см²) и абсолютным давлением пара за турбиной (противодавлением) 1,45 МПа (15 кгс/см²).

Первый прототип аксиальной одноступенчатой активной турбины с расширяющимися соплами (рис.28) был предложен в 1883 г. шведским инженером Густавом 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.

Рис.28 Схематический разрез одноступенчатой активной турбины:

1 ―вал; 2 ―диск; 3 ―рабочие лопатки; 4 ―сопловая решётка; 5 ―корпус; 6 ―выпускной патрубок.

В 1884 г. 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 (рис.29), благодаря чему стала возможна работа машины со значительно меньшими, чем в турбине Лаваля, скоростями пара на выходе из сопловых решеток и соответственно с меньшими окружными скоростями рабочих лопаток.

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.

Первая советская паровая турбина построена в 1924 г. на ЛМЗ. Она была рассчитана на начальные параметры пара 1,1 МПа (11 кгс/см²), 300°С и имела мощность 2000 кВт. В 1926 г. ЛМЗ была выпущена турбина мощностью 10 тыс. кВт при частоте вращения 50 с^-1, в 1930 г. — турбина мощностью 24 тыс. кВт при частоте вращения 50 с^-1 на начальные параметры пара 2,55 МПа (26 кгс/см²) и 375°С.

В 1978 г. ЛМЗ изготовил уникальную одновальную турбину типа К-1200-240 мощностью 1200 МВт, при частоте вращения 50 с^-1 на начальные параметры пара 23,5 МПа (240 кгс/см), 540°С с промежуточным перегревом до 540°С, которая при отключении подогревателей высокого давления была рассчитана на повышение мощности до 1400 МВт и являлась самой крупной одновальной турбиной в мире.

Рис.29 Многоступенчатая реактивная турбина: