Паротурбинная установка¶

Паротурбинная установка — это тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара преобразуется в кинетическую энергию вращения ротора турбины, а затем — в механическую работу на валу, используемую для привода электрического генератора или другого механизма. Паротурбинные установки (ПТУ) относятся к классу тепловых машин внешнего сгорания и являются основным типом привода на тепловых и атомных электростанциях, а также на крупных судах (турбоходы, ледоколы) и в промышленных компрессорных станциях.

¶История

Первые прототипы паровых турбин были созданы в конце XIX века. В 1884 году британский инженер Чарльз Парсонс построил первую многоступенчатую реактивную паровую турбину, которая развивала мощность около 7,5 кВт. В 1889 году шведский инженер Густав де Лаваль создал активную одновенцовую турбину, способную работать при высоких частотах вращения (до 30 000 об/мин). В России первые паровые турбины были установлены на электростанциях в начале XX века: в 1907 году на Невском заводе в Санкт-Петербурге была запущена турбина мощностью 1 МВт.

Развитие паротурбостроения в XX веке шло по пути увеличения единичной мощности, повышения начальных параметров пара (температуры и давления) и совершенствования тепловых схем. К 1970-м годам в СССР были созданы уникальные паротурбинные установки для энергоблоков мощностью 500, 800 и 1200 МВт, работающие на сверхкритических параметрах пара (давление до 25 МПа, температура до 565 °C). Современные ПТУ обеспечивают КПД до 45–48 % в конденсационном цикле и до 85 % в теплофикационном режиме.

¶Принцип действия

Работа паротурбинной установки основана на термодинамическом цикле Ренкина. Пар, полученный в паровом котле или парогенераторе, направляется в турбину, где расширяется, совершая работу. В зависимости от способа преобразования энергии различают два основных типа турбин:

Активные турбины — пар расширяется только в соплах, а на лопатках ротора происходит преобразование кинетической энергии струи в механическую работу.
Реактивные турбины — расширение пара происходит как в сопловых, так и в рабочих лопатках, что создаёт реактивную силу.

В многоступенчатых турбинах пар последовательно проходит через несколько ступеней (венцов лопаток), что позволяет эффективно использовать перепад давления.

¶Основные элементы

Типовая паротурбинная установка включает следующие компоненты:

Паровой котёл (или парогенератор) — устройство для получения пара с заданными параметрами (давление, температура, расход).
Паровая турбина — основной двигатель, состоящий из корпуса (статора) с сопловыми аппаратами и ротора с рабочими лопатками.
Конденсатор — теплообменник для конденсации отработавшего пара, что позволяет поддерживать низкое давление на выходе из турбины.
Питательный насос — устройство для подачи конденсата обратно в котёл, преодолевающее перепад давлений.
Регенеративные подогреватели — теплообменники, использующие отборы пара из турбины для подогрева питательной воды, что повышает КПД цикла.
Система маслоснабжения — обеспечивает смазку подшипников и регулирование турбины.
Система регулирования и защиты — автоматика, управляющая подачей пара и аварийным остановом.

¶Классификация

Паротурбинные установки классифицируются по нескольким признакам:

¶По назначению

Конденсационные — предназначены для выработки электроэнергии; весь отработавший пар конденсируется в конденсаторе. Составляют основу тепловых и атомных электростанций.
Теплофикационные (с противодавлением или регулируемыми отборами пара) — одновременно вырабатывают электроэнергию и обеспечивают теплоснабжение (горячая вода, пар для промышленности). Широко применяются на ТЭЦ.
Приводные — используются для привода механизмов (компрессоры, насосы, вентиляторы) в нефтехимической и газовой промышленности.
Судовые — устанавливаются на кораблях и ледоколах (атомные ледоколы, турбоходы).

¶По параметрам пара

Низкого давления — до 4 МПа, температура до 400 °C.
Среднего давления — 4–10 МПа, температура до 500 °C.
Высокого давления — 10–14 МПа, температура до 565 °C.
Сверхкритического давления — выше 22,1 МПа (критическая точка воды), температура до 620 °C. Используются в современных энергоблоках.

¶По конструктивным особенностям

Одноцилиндровые — вся турбина размещена в одном корпусе (применяются для малых мощностей).
Многоцилиндровые — разделение на цилиндры высокого, среднего и низкого давления (для мощностей от 100 МВт и выше).
Противодавленские — турбины, работающие на выхлоп в тепловую сеть или технологический пар.

¶Применение

Основные области использования паротурбинных установок:

Электроэнергетика — на тепловых электростанциях (ТЭС, ТЭЦ), атомных электростанциях (АЭС) и геотермальных станциях. ПТУ обеспечивают более 60 % мировой выработки электроэнергии.
Судостроение — в качестве главных двигателей на крупнотоннажных судах (атомные ледоколы «Арктика», «Сибирь», «Ямал»; некоторые военные корабли и гражданские турбоходы).
Промышленность — для привода компрессоров на газоперекачивающих станциях, вентиляторов доменных печей, насосов в системах водоснабжения.
Теплоснабжение — на ТЭЦ, обеспечивающих централизованное отопление городов и подачу горячей воды.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

Высокая единичная мощность — современные ПТУ достигают мощности 1200–1500 МВт на одном агрегате.
Надёжность и долговечность — ресурс работы турбин составляет 30–50 лет при соблюдении регламентов.
Возможность работы на различных видах топлива — уголь, газ, мазут, ядерное топливо, биомасса.
Высокий КПД в теплофикационном режиме — до 85 % за счёт утилизации тепла отработавшего пара.

¶Недостатки

Сложность конструкции и высокая стоимость — изготовление и монтаж требуют специальных материалов и высокой точности.
Большие габариты и масса — особенно для мощных установок с многоцилиндровыми турбинами.
Необходимость в системе охлаждения — конденсатор требует большого количества охлаждающей воды (реки, озёра, градирни).
Длительный пуск — от холодного состояния до набора полной мощности может занимать несколько часов.

¶Интересные факты

Самая мощная паротурбинная установка в мире (на 2023 год) — турбина для энергоблока АЭС «Олкилуото-3» (Финляндия) мощностью 1600 МВт.
В СССР в 1970-х годах была создана уникальная турбина К-1200-240 для энергоблока 1200 МВт на Костромской ГРЭС, которая до сих пор остаётся одной из крупнейших в мире.
На атомных ледоколах проекта 22220 (например, «Арктика») используются паротурбинные установки мощностью 70 МВт, работающие от ядерного парогенератора.
КПД современных ПТУ на сверхкритических параметрах пара достигает 47–48 %, что является рекордным для тепловых машин внешнего сгорания.

¶Источники

Трубилов М. А., Арсеньев Г. В., Фролов В. В. Паровые и газовые турбины. — М.: Энергоатомиздат, 1985.
Щегляев А. В. Паровые турбины. — М.: Энергия, 1976.
Ривкин С. Л., Александров А. А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. — М.: Энергия, 1975.
Справочник по теплотехнике и теплоснабжению / под ред. А. Н. Соколова. — М.: Стройиздат, 1980.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →