Turbiny parowe, rodzaje turbin parowych, podział turbin

Przemysław Marcisz - 2008-03-28

Turbina parowa jest silnikiem cieplnym wirnikowym. W niej przetwarza się energia \"cieplna\" pary wodnej, która dopływa do turbiny z kotła na pracę mechaniczną.

Zasadniczym zadaniem turbin parowych jest napęd prądnic elektrycznych (generatorów).

W turbinie zachodzi podwójna przemiana energii:

- przez rozprężanie pary następuje zamiana energii \"cieplnej\" pary na energię kinetyczną strumienia pary (zachodzi to głównie w nieruchomych kanałach międzyłopatkowych),
- w kanałach międzyłopatkowych wirnika zachodzi z kolei przetwarzanie tej energii kinetycznej na pracę mechaniczną.

Układ łopatkowy turbiny jest złożony z nieruchomych wieńców łopatkowych (kierownice i kadłub) oraz wieńców wirujących (wirnik).

Podział turbin

Ze względu na zasadę działania:
- akcyjne,
- reakcyjne,

Ze względu na kierunek przepływu pary:
- osiowe,
- promieniowe,

Ze względu na stan czynnika termodynamicznego:

- na parę przegrzaną z ciśnieniem podkrytycznym,
- na parę przegrzaną z ciśnieniem nadkrytycznym,
- na parę nasyconą (stosowane w elektrowniach jądrowych),

Obecny poziom sprawności wytwarzania w konwencjonalnych blokach (35-38%) ograniczony jest generalnie przez podkrytyczne parametry pary świeżej i pojedynczy przegrzew pary wtórnej, przy temperaturach przegrzewu 540/540°C, ale energetyka światowa dostarcza licznych przykładów jednostek eksperymentalnych na wysokie parametry z zastosowaniem stali austenicznych (np. zainstalowane w latach 50-tych: w USA Elektrownia Eddystone 649°C/316 bar z podwójnym przegrzewem międzystopniowym, czy w Niemczech Elektrownia Huels 620°C/323 bar).

Kilkudziesięcioletnie prace eksperymentalne w dziedzinie żarowytrzymałych stali stopowych doprowadziły do opracowania nowej generacji stali ferrytyczno-martenzytycznych typu P91, HCM12 i NF616, wolnych od podstawowej wady - niedostatecznej żywotności stali austenicznych.

Wykonanie z powyższych stali: przegrzewaczy pierwotnych i wtórnych, rurociągów pary świeżej oraz wysokoprężnych korpusów turbin, umożliwia podwyższenie projektowych parametrów bloków do ok. 270 bar i 580/600°C, przynosząc zysk na sprawności ogólnej obiegu cieplnego w wysokości około 3,5 punktu procentowego. Wyższy koszt tych elementów kompensowany jest w znacznej mierze oszczędnościami na paliwie.

Podobna kompensacja ma miejsce w przypadku innych środków usprawniających, jak np.: zmiany ułopatkowania turbin, optymalizacja układu kondensacji przez powiększenie chłodni kominowych, obniżenie temperatury spalin wylotowych z kotła itp.

Osiągalne obecnie sprawności, będące wynikiem łącznego stosowania ww. środków technicznych kształtują się na poziomie 43-49% (wartość niższa dotyczy bloków na węgiel brunatny).
Prace studialne wskazują także - w odniesieniu do elektrowni na węgiel kamienny - na możliwość zaprojektowania bloków na parametry ultra - nadkrytyczne z podwójnym przegrzewem międzystopniowym, tj.: 350 bar, 700°C/720°C/720°C, pod warunkiem zastosowania żarowytrzymałych stali stopowych na bazie niklu (np.: Inconel 617).

Ze względu na liczbę:

- kadłubów (korpusów): wysokoprężne, średnioprężne, niskoprężne,
- wylotów pary i wałów,

Ze względu na specyfikę konstrukcji:

- komorowe, bębnowe lub ich kombinacje, tzn.: wirnik turbiny może być tarczowy - turbina komorowa, bębnowy - turbina bębnowa lub może być ich kombinacją - jedna część wirnika jest wykonana jako tarczowa, a druga jako bębnowa,

Ze względu na sposób realizacji obiegu cieplnego:

- kondensacyjne,
- przeciwprężne,
- upustowo-kondensacyjne,
- upustowo-przeciwprężne,
- kondensacyjno-ciepłownicze,
- upustowo-ciepłownicze,


Ze względu na ilość stopni:

- jednostopniowe,
- wielostopniowe,

Ze względu na liczbę wałów:

- jednowałowe,
- dwuwałowe - każdy z wałów napędza oddzielny odbiornik,

Ze względu na prędkość kątową:

- turbiny normalnoobrotowe (50 Hz lub 60 Hz),
- turbiny o połówkowej liczbie obrotów (25 Hz lub 30 Hz),
- turbiny szybkoobrotowe z przekładniami zębatymi,

Ze względu na rodzaj odbiornika:

- do napędu generatorów elektrycznych,
- do napędu maszyn roboczych (pomp, sprężarek itp.),
- do napędu środków transportu (statki i inne),

Ze względu na strukturę rozpływu pary (z podziałem tym łączy się inna klasyfikacja dotycząca ilości i rodzajów kadłubów, ilości wylotu do skraplacza)

Ze względu na parametry pary świeżej:

- na ciśnienie podkrytyczne i nadkrytyczne,
- na parę nasyconą (siłownie jądrowe z wodnymi reaktorami wrzącymi i ciśnieniowymi),
- w układach z jednokrotnym i wielokrotnym przegrzewem pary,

Ze względu na funkcję w systemie elektroenergetycznym:

- turbiny bloków podstawowych,
- turbiny do pokrywania obciążeń podszczytowych i szczytowych,

Ze względu na udział w pokrywaniu obciążeń dobowych w systemie elektroenergetycznym; turbiny takie dzielą się na: turbiny do obciążeń:

- podstawowych,
- podszczytowych,
- szczytowych - do szybkich uruchomień,

Turbiny kondensacyjne - budowane są w celu uzyskania maksymalnej energii elektrycznej z mocy cieplnej zawartej w parze. Turbiny te są wyposażone w nieregulowane upusty pary (zwykle od 3 do 8 upustów), służące do wielostopniowego podgrzewania wody zasilającej. Upust tworzy szczelina na całym obwodzie wraz z komorą pierścieniową znajdująca się za wybranym wieńcem wirnikowym, po którym utworzony jest wieniec stojanowy następnego stopnia turbiny odpowiednio przesunięty.

Turbiny przeciwprężne - oddające parę odlotową dla celów technologicznych i grzewczych. Stosowane najczęściej w zakładach przemysłowych. Turbiny przeciwprężne są proste w konstrukcji i w przypadku małych mocy wykonywane są jako wysokoobrotowe (napędzając generator poprzez przekładnię, zmniejszając prędkość obrotową z 12 000 obr/min na 1500 obr/min).

Turbiny upustowo-kondensacyjne - pozwalają odbierać z upustów znacznych strumieni pary do celów grzewczych i technologicznych, przy określonych regulowanych ciśnieniach pary. Turbina ta wyposażona jest także w upusty nieregulowane do zasilania regeneracyjnych podgrzewaczy wody lub zasilania odbiorców ciepła niewymagających regulowanych parametrów pary.

Turbiny upustowo-przeciwprężne - są wyposażone w upusty lub upust pary, do zasilania odbiorców technologicznych, a pozostała część pary jest oddawana do celów grzewczych (para przeciwprężna).

---