Общие сведения и состав паротурбинной установки

Типы тепловых электростанций.

Тепловой электрической станцией называется комплекс оборудования и устройств, преобразующих энергию топлива в электрическую и (в общем случае) тепловую энергию.

Тепловые электростанции можно классифицировать по различным признакам.

1. По виду используемого топлива тепловые электростанции разделяются на электростанции, работающие на органическом топливе и ядерном топливе.

За электростанциями, работающими на органическом топливе, во времена, когда еще не было атомных электростанций (АЭС), исторически сложилось название тепловых (ТЭС — тепловая электрическая станция). Именно в таком смысле ниже будет употребляться этот термин, хотя все приведенные на рис. 3.1 электростанции также являются тепловыми электростанциями, работающими на принципе преобразования тепловой энергии в электрическую.

В качестве органического топлива для ТЭС используют газообразное, жидкое и твердое топливо. Большинство ТЭС России, особенно в европейской части, в качестве основного топлива потребляют природный газ, а в качестве резервного топлива — мазут, используя последний ввиду его дороговизны только в крайних случаях; такие ТЭС называют газомазутными. Во многих регионах, в основном в азиатской части России, основным топливом является энергетический уголь — низкокалорийный уголь или отходы высококалорийного каменного угля (антрацитовый штыб — АШ). По­скольку перед сжиганием такие угли размалываются в специальных мельницах до пылевидного состояния, то такие ТЭС называют пылеугольными.

2. По назначению и виду отпускаемой энергии электростанции разделяются на районные и промышленные.

Районные электростанции — это самостоятельные электростанции общего пользования, которые обслуживают все виды потребителей района (промышленные предприятия, транспорт, население и т.д.).

Районные электростанции разделяются на:

Конденсационные тепловые электростанции(КЭС) – электростанции, вырабатывающие в основном электроэнергию с использованием конденсационных турбин.

Эти электростанции часто сохраняют за собой историческое название — (ГРЭС) - государственные районные электростанции.

Теплофикационные электростанции - электростанции, вырабатывающие электрическую и тепловую энергию (в виде пара или горячей воды). Являясь, как и КЭС, тепловыми электростанциями, они отличаются от последних использованием тепла «отработавшего» в турбинах пара для нужд промыш­ленного производства, а также для отопления, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения. Эти электростанции часто сохраняют за собой историческое название - ТЭЦ – теплоэлектроцентрали.

Как правило, ГРЭС и районные ТЭЦ имеют мощность более 1 млн кВт.

Промышленные электростанции — это электростанции, обслуживающие тепловой и электрической энергией конкретные производственные предприятия или их комплекс. Промышленные электростанции входят в состав тех промышленных предприятий, которые они обслуживают. Их мощность определяется потребностями промышленных предприятий в тепловой и электрической энергии и, как правило, она существенно меньше, чем районных ТЭС. Часто промышленные электростанции работают на общую электрическую сеть, но не подчиняются диспетчеру энергосистемы. Ниже рассматриваются только районные электростанции.

3. По типу теплосиловых установок, используемых на ТЭС для преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения роторов турбоагрегатов, различают паротурбинные, газотурбинные и парогазовые электростанции.

Паротурбинные тепловые электростанции имеют в основе паротурбинные установки (ПТУ), которые для преобразования тепловой энергии в механическую используют самую сложную, самую мощную и чрезвычайно совершенную энергетическую машину — паровую турбину. ПТУ — основной элемент ТЭС, ТЭЦ и АЭС.

Газотурбинные тепловые электростанции (ГТЭС) оснащаются газотурбинными установками (ГТУ), работающими на газообразном или, в крайнем случае, жидком (дизельном) топливе. Поскольку температура газов за ГТУ достаточно высока, то их можно использовать для отпуска тепловой энергии внешнему потребителю. Такие электростанции называют ГТУ-ТЭЦ.

Парогазовые тепловые электростанции комплектуются парогазовыми установками (ПГУ), представляющими комбинацию ГТУ и ПТУ, что позволяет обеспечить высокую экономичность. ПГУ-ТЭС могут выполняться конденсационными (ПГУ-КЭС) и с отпуском тепловой энергии (ПГУ-ТЭЦ).

4. По технологической схеме паропроводов ТЭС делятся на блочные ТЭС и на ТЭС с поперечными связями.

Блочные ТЭС состоят из отдельных, как правило, однотипных энергетических установок — энергоблоков. В энергоблоке каждый котел подает пар только для своей турбины, из которой он возвращается после конденсации только в свой котел. По блочной схеме строят все мощные ГРЭС и ТЭЦ, которые имеют так называемый промежуточный перегрев пара.

На ТЭС с поперечными связями работа котлов и турбин обеспечивается по-другому: все котлы ТЭС подают пар в один общий паропровод (коллектор) и от него питаются все паровые турбины ТЭС. По такой схеме строятся КЭС без промежуточного перегрева и почти все ТЭЦ на докритические начальные параметры пара.

5. По уровню начального давления различают ТЭС докритического давления и сверхкритического давления (СКД).

Критическое давление — это 22,1 МПа (225,6 ат). В российской теплоэнергетике начальные параметры стандартизованы: ТЭС и ТЭЦ строятся на докритическое давление 8,8 и 12,8 МПа (90 и 130 ат), и на СКД — 23,5 МПа (240 ат). ТЭС на сверхкритические параметры по техническим причинам выполняются с промежуточным перегревом и по блочной схеме. Часто ТЭС или ТЭЦ строят в несколько этапов — очередями, параметры которых улучшаются с вводом каждой новой очереди.

 

Общие сведения и состав паротурбинной установки

Паротурбинная установка (ПТУ) — это непрерывно действующий тепловой агрегат, рабочим телом которого является вода и водяной пар. Паротурбинная установка является механизмом для преобразования потенциальной энергии сжатого и нагретого до высокой температуры пара в кинетическую энергиювращенияротора турбины. Включает в себя паровую турбину и вспомогательное оборудование. Паротурбинные установки используются для привода электрогенератора на тепловых и атомных электростанциях.

Принципиальная схема паротурбинной установки для привода электрогенератора изображена на рисунке 3.1.

Рис.3.1. Принципиальная схема паротурбинной установки

Свежий пар из котельного агрегата (1), где он получил тепло от сгорания топлива, поступает в турбину (2) и, расширяясь в ней, совершает механическую работу, вращая ротор электрогенератора (3). После выхода из турбины, пар поступает в конденсатор (4), где происходит его конденсация. Конденсат отработавшего в турбине пара при помощи конденсатного насоса (5) проходит через подогреватель низкого давления (ПНД) (6) в деаэратор (7). Из деаэратора питательный насос (8) подаёт воду через подогреватель высокого давления (ПВД) (9) в котельный агрегат.

Паровая турбина

Паровая турбина — ротативный тепловой двигатель с непрерывным процессом преобразования тепловой энергии рабочего вещества (пара) в механическую работу.

Паровая турбина состоит из двух основных частей (Рис.3.2):

 1. Вращающаяся часть - ротор,

 2. Неподвижная часть - корпус (статор).

Ротор состоит из вала с неподвижно закрепленным на нем диском с венцом рабочих лопаток. Перед каждым диском с рабочими лопатками укреплен сопловой аппарат, состоящий из нескольких неподвижных сопел, закрепленных в корпусе. Сопла образованы направляющими лопатками.

Рис.3.2. Устройство ступени паровой турбины: а - ступень паровой турбины; б - проточную часть активной турбины; в - проточную часть реактивной турбины;  F_а - сила активного воздействия, F_р - реактивная сила, F - полная сила, действующая на рабочую лопатку.

Основным условием работы турбины является наличие разности давлений – перед сопловым аппаратом и за рабочими лопатками.

Сопла, совместно с рабочими лопатками, образуют проточную часть турбины.

Проточная часть, состоящая из одного ряда сопел и одного ряда рабочих лопаток, образует простейшую турбинную ступень.

По принципу действия паровые турбины подразделяются активные и реактивные. Если перед входом в сопло пар имел некоторую начальную скорость  и начальное давление (рис.3.2 а и б), то после выхода из сопла в результате расширения пара происходит увеличение его скорости до значения и уменьшение давления пара до значения . Скорость входа пара на рабочую лопатку называется абсолютной скоростью. От абсолютной скорости пара зависит окружная скорость диска с венцом рабочих лопаток и, следовательно, число оборотов вала турбины.

После выхода из сопла пар подается на рабочие лопатки турбины. Если турбина активная, то между ее рабочими лопатками расширения пара не происходит (рис.3.2 б), следовательно, давление пара не меняется. Вращение ротора осуществляется под воздействием силы за счет непосредственного ударного действия потока на лопатки. Следует иметь ввиду, что от абсолютной скорости пара зависит окружная скорость диска с венцом рабочих лопаток и, следовательно, число оборотов вала турбины.

Реактивными турбинами называют такие турбины, у которых расширение пара происходит не только в соплах перед поступлением пара на рабочие лопатки, но и на лопатках самого рабочего колеса. Это достигается тем, что канал, образованный рабочими лопатками выполняется суживающимся (рис.3.2 в). В соплах турбины происходит частичное расширение пара до промежуточного давления .

Дальнейшее расширение пара до давления происходит в каналах между лопатками. Абсолютная скорость пара в сопле увеличивается до значения .

На лопатках, вследствие наличия перепада давлений появляется реактивная отдача, и на рабочую лопатку действует сила . Следует иметь в виду, что и активные турбины нередко работают с некоторой реактивностью т.е., полная сила, действующая на лопатку, складывается из двух составляющих.

 Поэтому деление турбин на активные и реактивные является условным; если турбина работает на 50% по реактивному принципу, то такую турбину принято называть реактивной.

Подразделение турбин по количеству ступеней. Одноступенчатые турбины Комбинация одного ряда (по окружности) сопел и одного венца рабочих лопаток называется активной или реактивной ступенью.

 Многоступенчатые турбины. В однодисковой турбине не удается достаточно полно использовать кинетическую энергию струи пара. Значительная часть ее теряется с выходной скоростью пара, покидающего турбину, что снижает КПД турбины. Кроме этого, для генераторов тока чрезмерно высокая частота вращения не требуется. Частота вращения ротора стационарного турбогенератора связана с частотой электрического тока 50 Герц. То есть на двухполюсных генераторах 3000 оборотов в минуту, на четырёхполюсных соответственно 1500 оборотов в минуту. В целях снижения угловой скорости и повышения экономичности работы турбины их выполняют многоступенчатыми — со ступенями давленияи скорости.

Турбины со ступенями давления. В данном случае турбина состоит из нескольких, последовательно расположенных простейших одноступенчатых турбин, являющихся "ступенями" многоступенчатой турбины. Расширение рабочего вещества происходит постепенно, от ступени к ступени. (рис.3.3).

Рис. 3.3. Характер изменения давления и абсолютной скорости в активной турбине.

Можно записать: , где  - число оборотов вала турбины;  - окружная скорость диска с венцом рабочих лопаток,  - скорость выхода пара из сопел,  - перепад давления в соплах. Таким образом, чем больше ступеней давления, тем меньше число оборотов вала турбины.

В ступени давления возможно использовать кинетическую энергию не в одном, а в нескольких венцах лопаток, применив ступени скорости. Для этого на ободе диска размещают 2 (редко 3) венца рабочих лопаток, между которыми установлен венец неподвижных направляющих лопаток. Теоретически при 2 ступенях скорости оптимальная окружная скорость будет в 2 раза меньше, чем для одновенечной ступени, использующей тот же перепад давления. Однако много ступеней скорости практически не применяют из-за больших потерь в лопатках. Наиболее распространённым типом турбины можно считать активную паровую турбину с одним двухвенечным диском в первой ступени давления и одновенечными дисками в остальных ступенях.

С увеличением числа ступеней улучшается экономичность, т. к. тепловые потери предыдущей ступени используются в последующей, но растут размеры, масса и стоимость турбины. При небольшом (до 10—15) числе ступеней их размещают в одном корпусе (цилиндре), при большем (до 30—40) — в двух или трёх корпусах. Практически все турбины, кроме мелких вспомогательных, строят многоступенчатыми). Пример схемы компоновки многоцилиндровой паровой турбины приведен на рис.3.4.

Рис.3.4. Пример схемы компоновки многоцилиндровой паровой турбины (характеристики турбины К-300-240, z – число ступеней)

Общий вид ротора двухпоточного цилиндра низкого давления приведен на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Ротор двухпоточного цилиндра низкого давления