6. Турбины для комбинированной выработки теплоты и электроэнергии
В теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) для комбинированной выработки электрической энергии и теплоты широко применяют теплофикационные турбины с противодавлением и турбины с регулируемыми отборами пара. Оценка преимуществ комбинированной выработкой теплоты и электроэнергии была дана в разделе 1. 4.
6.1 Турбины с противодавлением
Схема турбины с противодавлением (типа Р) показана на рис.6.1. 
Рис 6.1 Схема турбины с противодавлением:
1-тепловой потребитель, 2-редукционно-охладительная установка, 3,5-турбины с противодавлением и конденсационная,4-генераторы,
Пар с начальными параметрами р0, to подводится из котла в турбину 3, где расширяется до давления рп, и, покидая его, направляется к тепловому потребителю 1. Для отопительных установок (сетевых подогревателей-бойлеров) давление пара рп=70-250кПа, а для промышленных целей он колеблется в более широких пределах: от 0,4—0,7 до 1,3—1,8 МПа.
Поскольку весь покидающий турбину пар используется тепловым потребителем, электрическая мощность паротурбинной установки определяется этим расходом пара, задаваемым потребителем теплоты:
Nэ = DH0 ηoi .
Так как в большинстве случаев графики потребления тепловой и электрической энергии не совпадают, то турбина, работая по тепловому графику, не может полностью обеспечить потребителей электроэнергией. Поэтому в современных энергетических системах турбины с противодавлением работают не изолированно, а параллельно с конденсационными турбинами 5. При этом турбина с противодавлением вырабатывает лишь количество электроэнергии, определяемое расходом пара, идущего тепловому потребителю, а остальная электроэнергия вырабатывается конденсационными турбинами. Конденсационные турбины не обязательно должны быть установлены на одной станции. Важно, чтобы их генераторы были включены в общую электрическую сеть.
Если в часы максимальных тепловых нагрузок расход пара, необходимый тепловым потребителям, превышает максимальную пропускную способность теплофикационной турбины, в его линию дополнительно поступает пар из редукционно-охладительной установки (РОУ) 2. Эта установка позволяет также снабжать теплового потребителя 1 паром в период остановов турбины 3. Как уже отмечалось, мощность, развиваемая турбиной с противодавлением, определяется нагрузкой теплового потребителя. Это не позволяет эффективно использовать установленную мощность турбогенератора и, в свою очередь, ограничивает область применения турбин с противодавлением. Допустим, что турбина с противодавлением обслуживает отопительное тепловое потребление. Следовательно, в зимние месяцы, когда расход теплоты на отопление большой, турбина развивает значительную электрическую мощность. Летом же, когда отопление не требуется, турбина может оказаться совсем без нагрузки. В этом случае не только турбина, но и связанное с ней электрическое оборудование не используются. Поэтому турбину с противодавлением целесообразно устанавливать при наличии таких тепловых потребителей, нагрузка которых не прерывается в течение суток и держится на достаточно высоком уровне круглый год. Давление пара, поступающего к тепловому потребителю, необходимо, как правило, поддерживать постоянным.
Конструктивно турбина с противодавлением отличается от конденсационной только отсутствием ступеней, работающих в области низких давлений. Поэтому турбину с противодавлением выполняют так же, как ЧВД конденсационной турбины.
Типы паровых турбин
Паровая турбина — это механизм, осуществляющий переработку тепловой энергии, полученной от пара, в энергию вращения
Турбины работают при наличии в них нагретого пара, который является источником энергии. Поступает такой пар в турбины из специального котла. Температура пара, поступившего в турбину, может различаться. Но основные показатели находятся в пределах 490-580 градусов Цельсия. Давление также отличается. Основные его показатели — 90 атмосфер, 140 атмосфер, 230 атмосфер.
Классифицируются паровые турбины следующим образом: противодавленческие, теплофикационные с отбором пара на производство, конденсационные, теплофикационные.
Все эти турбины отличаются количеством пара, использованного в работе и количеством пара, не участвовавшего в производстdе, а использующийся для других нужд.
Конденсационные турбины
Является самым распространенным в производстве типом паровых турбин. Обычно, с такой турбиной в комплекте идет конденсатор-устройство, предназначенной для сбора использованного пара. Абсолютно весь отработавший пар поступает в конденсатор.
Основной задачей конденсационных паровых турбин является выработка электричества. Соответственно, подобного типа турбины используются на электростанциях. На ТЭЦ также можно поставить, но обычно они там не используются. Пар из котла поступает в турбину и совершает работу, необходимую для получения электроэнергии. Возможность получения тепловой энергии с таких турбин присутствует, но обычно не используется.
В Советское время производством таких труб занимался Ленинградский металлический завод. Сейчас же это ОАО «Силовые машины».
Теплофикационные турбины
Представляют собой турбины типа «Т». Широко используются на тепловых электростанциях, так как с их помощью имеется возможность вырабатывать не только электричество но и тепловую энергию.
Турбина способна отбирать пар с помощью поворотной диафрагмы. Данный процесс является контролируемым. Отобранный пар затем поступает в определенные обогреватели, с которых энергия тепла уже передается воде.
В летнее время теплофикационные турбины способны работать в конденсационном режиме. В данном случае пар до сетевых подогревателей не доходит, а в полном объеме используется для выработки электричества.
Производством теплофикационных турбин занимается Уральский турбинный завод.
Теплофикационные турбины с промышленным отбором пара
Турбины с маркировкой «ПТ»
Название данных турбин дает понять, что определенная часть пара в процессе производства энергии уходит на промышленные нужды( к примеру для работы самого завода и т.п). После пар возвращается в виде жидкости, то есть конденсата, либо же полностью испаряется.
На данный момент теплофикационные турбины на производстве практически не используются, за редким исключением. В СССР они пользовались популярность для установки на тепловые электростанции недалеко от промышленных предприятий, заводов и т.д.
Противодавленческие турбины
Маркирова противодавленческих турбин «P».
Особенность противодавленческих турбин является отсутствия конденсатора, куда бы поступал использованный пар. Поэтому последний в свою очередь поступает на использование стороннему потребителю, что немного схоже с теплофикационными турбинами промышленного типа.
На данный момент противодавленческие турбины также как и турбины с маркировкой «ПТ» не используются в производстве, если не брать во внимание отдельные случаи. В Советское время данная модель еще находила себе применение, но после распада союза надобность в таких типах турбин отпала, так как возникла проблема в нахождении внешнего потребителя. При отсутствии последнего невозможно использование противодавленческих турбин для осуществления выработки энергии, соответственно они пришли в ненадобность.
Но затем инженеры нашли отличное решение для усовершенствования противодавленческих турбин. В придачу к ним устанавливались турбины с маркировкой «К», то есть конденсационные, рассчитанные на работу с паром, имеющим низкое давление. Как известно, турбинам типа «Р» необходимо наличие стороннего потребителя, что решается с помощью конденсационных турбин. После того как пар отработал в противодавленческих турбинах, он поступает в турбины типа К, где уже окончательно завершает свою работу и переходит в конденсат.
Ерёмин Б.М. "Турбины с противодавлением и как обеспечивается промышленная безопасность при их использовании"
В работе подробно описывается принцип работы турбины с противодавлением, предлагаются формулы по определению необходимых параметров и указываются требования промышленной безопасности при ее использовании.
В профессиональном мире под турбинами понимают ротативный тепловой двигатель, который способен беспрерывно преобразовывать тепловую энергию рабочего вещества в механическую. Такая турбина состоит из двух составляющих:
Ротор — вращающаяся часть.
Статор — неподвижная часть.
Чтобы работа турбины была возможна необходимо, чтобы соблюдалось одно главное условие — наличие разности в давлениях между рабочими лопатками и сопловым аппаратом.
В современных энергетических системах турбины с противодавлением работают не отдельно от конденсационных, а параллельно с ними. В этом случае турбина противодавления вырабатывает то количество энергии, которое определяется расходом пара. Нет необходимости устанавливать на одном объекте конденсационные турбины, достаточно, чтобы оба вида агрегатов были включены в единую сеть. К сожалению, мощность турбины с противодавлением определена нагрузкой потребителя, что существенно ограничивает область их использования.
Устанавливать такое оборудование стоит там, где оно сможет работать с постоянной нагрузкой, к примеру, в северных районах, когда тепловое потребление практически не прекращается. Если рассматривать с конструкционной стороны разницу между конденсационной турбиной и с противодавлением, то в последней нет ступеней, работающих в области низкого давления.
Графически изобразить схему установки турбины с противодавлением можно следующим образом:
1 — турбина с противодавлением;
2 — конденсационная турбина;
3 — редукционно-охладительная установка.
В нашем случае пар выходит из парогенератора с Р0 давлением, затем идет в турбину, здесь наблюдается его расширение до давления Рп. далее пар отправляется в сетевые подогреватели, а отсюда к потребителю тепла. Если говорить о промышленных целей, то пар используется с давлением от 0,4 до 0,7 МПа, а в некоторых случаях и до 1,8 МПа.
Мощность используемой турбины можно рассчитать по формуле:
где G — расход свежего пара;
H0 — располагаемый теплоперепад;
Ƞоэ — относительный электрический КПД, равный отношению электрической мощности к мощности идеальной турбины.
Именно потому, что Ƞоэ при неизменных процессах зависит от пропуска пара сквозь турбину, мощность будет определяться исключительно из расхода пара, проходящего через нее.
Использование этого типа оборудования совместно с конденсационным связано с тем, что работая изолированно турбины с противодавлением не могут обеспечить одновременно потребителя электроэнергией и теплом. при совместной работе ответственность за электроэнергию в большей степени берет на себя компенсационное оборудование.
Как правило, давление пара в данном случае приходится поддерживать все время постоянным. Уравнение расходов, которое будет связывать противодавление и тепловую нагрузку, в данном случае будет иметь вид:
где V — емкость паропровода, ведущего от турбины к тепловому потребителю;
G1 — секундный расход пара, проходящего через систему регулирующих клапанов турбины;
G2 — секундный расход пара, отводимый к потребителю;
P и T — давление и температура отработавшего в турбине пара.
Наше уравнение демонстрирует что давление отработавшего пара будет неизменным лишь тогда, когда количество пара прошедшего через турбин G1,у, равно количеству пара поступающему к потребителю G2. Если G1>G2, то dP/dt>0, то есть давление растет и наоборот, если G1<G2, то dP/dt<0, и давление понижается.
Собственно становится понятно, что всякое нарушение равенства приводит лишь к одному результату — изменению давления. Можно сделать так, чтобы турбина противодавления во время работы автоматически поддерживала расход пара. Для этого необходимо оснастить ее не только регулятором скорости, но и давления.
Система регулирования будет полностью зависеть от регулятора и лишь тогда, когда произойдет отключение агрегата и генератор полностью разгрузиться вступит в работу регулятор скорости.
Промышленная безопасность требует подбирать конструкцию турбин в соответствии с объемом пропуска пара, с которым должно справляться оборудование. Принимают во внимание и график нагрузки.
Если учитывать конструкционные особенности этого типа оборудования, то можно откинуть все сложности с проектированием лопаток для больших объемом пропуска пара. Даже агрегаты, которые используют для массового расхода высота лопаток умеренная. Стоит помнить, что чем больше будет отношение давлений Р2/Р0>0, где Р0 —давление свежего пара, Р2 — давление в выходном патрубке, тем сильнее сказывается потеря пара в регулирующем клапане при недогрузке оборудования.
Поскольку в ТПД отношение Р2/Р0 велико, дроссельное парораспределение применять не рекомендуется. Чем выше Р2/Р0, тем большее число клапанов необходимо устанавливать.
Важно отметить, что использование соплового распределения еще не оправдывает характер экономичности при полной нагрузке турбины. Коэффициент полезного действия ТПД при недозагрузке лучше сохраняется при большем теплоперепаде для регулирующей степени. Если имеется идеальное парораспределение, то и перепад ступни будет постоянным независимо от нагрузки, а следовательно отношение скоростей тоже не меняется U/Сф, U — окружная скорость рабочей решетки U= Wd/2.
Где W — угловая скорость рабочих лопаток;
d — диаметр ступени;
Сф — фиктивная скорость.
Использование установок с одной степенью стало востребовано с агрегатами, у которых небольшие теплоперепады, работающих в условиях большой переменной нагрузки. Если необходима в условиях создания котельных турбина с большой мощностью, устанавливать такое оборудование нельзя, одной ступни может быть недостаточно. Если мы будем говорить конкретно о производственных мощностях, то там чаще всего используется одна регулируемая ступни и последующие нерегулируемые. Получается, что многоступенчатая конструкция одна из наиболее безопасных и востребованных в промышленных масштабах.
В рамках таблицы можно рассмотреть параметры комбинированной установки для мини-ТЭЦ, которая состоит из нескольких котлов ДКВр и ДЕ, бутанового контура и противодавленческой турбины.
Типы паровых турбин
Паровая турбина — это машина, предназначенная для преобразования тепловой энергии пара в механическую энергию вращения.
В паровой турбине , как следует из названия, работу совершает нагретый пар. Пар в турбину поступает из парового котла или котла-утилизатора. Температура, с которой приходит в турбину пар, может быть разной. Но в основном, температура пара в районе 500-570 градусов Цельсия. Давление, также, разнообразное. Самое распространённое, это — 90 ата, 130 ата и 240 ата.
По типу паровые турбины делятся на: конденсационные, теплофикационные, теплофикационные с отбором пара на производство, противодавленческие.
В общем можно сказать, что тип турбины зависит от того, сколько и полностью ли пар совершает работу в турбине и куда он ещё идёт «на сторону».
Конденсационные турбины
Вероятно, этот тип турбин самый распространённый (маркировка — К). В комплекте с самой такой турбинной обязательно есть ещё устройство для сбора отработавшего пара — конденсатор. Весь отработавший пар в такой турбине поступает в конденсатор.
Конденсационные паровые турбины предназначены для выработки электричества. Т.е. такие турбины ставят на ГРЭС . На ТЭЦ ставят, в основном, другого типа турбины. Весь пар с котла поступивший в такую турбину совершает работу для получения электроэнергии. Тепловую энергию с таких турбин не получают, за редкими исключениями.
В России такие турбины в советское время производил завод ЛМЗ — Ленинградский металлический завод. В настоящее время он переименован в ОАО «Силовые машины».
Теплофикационные турбины
Турбины типа — Т. Этот вид турбин устанавливают на ТЭЦ, т.е. там, где помимо выработки электричества, ещё нужно получать тепловую энергию — отопление и горячее водоснабжение.
У теплофикационных турбин существуют регулируемые теплофикационные отборы пара. Регулировка осуществляется поворотной диафрагмой. Пар с такого отбора поступает в сетевые подогреватели — теплообменники, где пар передаёт своё тепло сетевой воде.
Теплофикационные турбины, как правило, могут работать и в конденсационном режиме, например, в летнее время. В таком случае пар на сетевые подогреватели не поступает, а весь используется для выработки электричества.
Теплофикационные турбины в России производятся на УТЗ — Уральском турбинном заводе.
Теплофикационные турбины с промышленным отбором пара
Маркировка таких турбин — ПТ.
Промышленный отбор пара означает то, что часть пара с таких турбин уходит на какое-либо стороннее производство (завод, фабрику и т.д.). Пар может возвращаться обратно на электростанцию в виде конденсата, а может и полностью теряться.
Такие турбины в настоящее время практические не устанавливают. В советское время их устанавливали на ТЭЦ вблизи крупных промышленных предприятий — химических комбинатов, деревообрабатывающих заводах и т.д..
Противодавленческие турбины
Противодавленческие турбины имеют маркировку — Р. В составе таких турбин отсутствует конденсатор, а весь отработавший пар идёт с каким-либо небольшим давлением стороннему потребителю.
Этот тип турбин в настоящее время, как и турбины ПТ, не находит применение за редким исключением. После распада Советского Союза многие такие турбины «пылились» без дела, так как отсутствовал внешний потребитель отработавшего пара. Без потребителя пара невозможна и их эксплуатация, а значит и выработка электричества.
Паровая турбина Р-27-8,8/1,35:
Но позже нашли оригинальное решение их модернизации. В пару к таким турбинам начали устанавливать небольшие турбины типа К (конденсационные), рассчитанные на работу с низким давлением пара. Т.е после того, как пар отработал в турбине Р, он не идёт стороннему потребителю, а поступает на вход дополнительно установленной турбины типа К, где завершает свою работу и конденсируется в конденсаторе.