Развитие теплоэнергетики

Паровая или газовая турбина представляет собой ротативный тепловой двигатель непрерывного действия с двойным превращением энергии. В направляющих аппаратах (соплах) происходит превращение потенциальной энергии пара в кинетическую, в рабочем аппарате – кинетическая энергия пара превращается в механическую работу вращения вала турбины (ротора). Ротор турбины соединен с ротором быстроходной машины – потребителя, генератором переменного тока, компрессором, насосом, газодувной и т.д.

Турбина имеет непрерывный рабочий процесс: при установленном режиме работы турбины в каждой определенной точке рабочих органов и полостей турбины все параметры процесса (давление, температура, скорости, усилия) остаются постоянными во времени.

Создание паровой турбины, как и всякое новое крупное изобретение, нельзя приписать творчеству отдельного лица. В течении Х IХ века различными изобретателями было выдвинуто много предложений для преобразования тепловой энергии в механическую с использованием скоростного напора вытекающей струи пара.

Наибольший сдвиг в конструктивном оформлении паровой турбины и дальнейшем ее развитии наметился в конце прошлого столетия, когда в Швеции Густав Патрик Лаваль (1845 – 1913) и в Англии Чарльз Алджерон Парсонс (1854 – 1931) независимо друг от друга стали работать над созданием и усовершенствованием паровой турбины.

В 1884 г. Ч. Парсонс сконструировал паровую турбину реактивного типа, а в 1889 г. инженер Г. Лаваль изобрел турбину активного типа.

Первые модели одноступенчатых турбин Лаваля активного типа имели мощность 5 л. с. при 30000об/мин, последующие 300 -350 л.с. при 10000 об/мин. Для понижения частоты вращения применялся редуктор. Эти турбины не получили распространения, потому что одна ступень не позволяла достичь большой мощности.

Пар в турбине Лаваля поступает через открытый при всех нагрузках стопорный клапан 1, который закрывают при аварийных режимах. Изменение количества пара при изменении нагрузки осуществляется регулирующим клапаном 2.

Далее пар поступает в проточную часть ступени, состоящей из соплового аппарата 3и рабочих лопаток 4. Вследствие разности давлений в ступени пар из области с высоким давлением Ро поступает в область с низким Рн. Сопловые каналы между направляющими лопатками имеют сначала суживающуюся, а затем расширяющуюся форму, благодаря чему происходит расширение пара с уменьшением давления и температуры. При этом тепловая энергия преобразуется в кинетическую.

Затем пар поступает в каналы рабочих лопаток с одинаковым сечением на входе и выходе. При изменении направления движения в рабочей решетке пар воздействует на рабочие лопатки, заставляя их вращаться. Крутящий момент через диск 5 передается на вал 6. Ступень турбины размещается в корпусе7. В местах выхода вала из корпуса установлены концевые уплотнения 8, ограничивающие утечки пара из корпуса. Вал турбины вращается в подшипниках 9, упорным подшипником 10 ротор фиксируется в осевом положении относительно статора. Крутящий момент передается через муфту 11.

Турбины, построенные по этому принципу, т.е. турбины, в которых весь процесс расширения пара и связанного с ним ускорения парового потока происходит в неподвижных соплах, получили название активных турбин.

При разработке активных одноступенчатых турбин был решен ряд сложных вопросов, что имело чрезвычайно большое значение для дальнейшего развития паровых турбин. Были применены расширяющиеся сопла, называемые теперь соплами Лаваля, которые позволяют эффективно использовать большую степень расширения пара и достигнуть высоких скоростей истечения парового потока. Для своих турбин Лаваль разработал конструкцию диска равного сопротивления, допускающего работу большими окружными скоростями (350 м/с). Наконец, одноступенчатые активные турбины имели частоту вращения (до 640 с^-1) намного большую, чем в распространенных в то время машинах. Это привело к изобретению гибкого вала, частота свободных колебаний которого меньше частоты возмущающих усилий при работе турбины.

Однако, необходимость применения редукторной передачи для снижения частоты вращения ведущего вала до уровня частоты вращения приводимой машины, тормозило увеличение мощности и экономичности одноступенчатых турбин Лаваля.

Идея построения многоступенчатых турбин впервые была предложена Ч. Парсонсом для реактивной турбины.

Расширение пара в ней производится не в одной сопловой группе, а в ряде следующих друг за другом ступеней, каждая из которых состоит из неподвижных сопловых и вращающихся рабочих лопаток.

На роторе 1 барабанного типа закреплены рабочие лопатки 4, а в корпусе 2 – направляющие лопатки 3.

В каждой ступени такой турбины срабатывается перепад давления, составляющий лишь небольшую долю полного перепада между начальным давлением пара и давлением пара, покидающим турбину. Мощность, развиваемая каждой ступенью, суммируется на валу. таким образом, оказалось возможным работать небольшими скоростями парового потока в каждой ступени и с меньшими, чем в турбине Лаваля, окружными скоростями рабочих лопаток. Кроме того расширение пара в ступенях турбины Парсонса происходит как в сопловой так и в рабочей решетке. Поэтому на рабочие лопатки передаются усилия не только вследствие изменения направления потока пара, но и благодаря ускорению пара в пределах рабочей решетки, вызывающему реактивное усилие.

Ступени турбины, в которых расширение пара и связанное с ним ускорение парового потока происходит примерно одинаково в каналах сопловых и рабочих лопаток, получило название реактивных ступеней.

В настоящее время по характеру процесса расширения пара и преобразования энергии разница между ступенями активного и реактивного типа частично сгладились, однако осталась значительная разница в конструктивном оформлении ступеней.

История советского турбостроения начинается с 1924 года, когда на Металлическом заводе в Петрограде была изготовлена паровая турбина мощностью 2 МВт. на параметры пара 11кгс/см² и 300 С. На этом же заводе, входящем ныне в производственное объединение турбостроения «Ленинградский металлический завод» (ЛМЗ) к 60-летию Октября изготовлена крупнейшая в мире паровая турбина максимальной мощностью1380 МВт на параметры пара 240 кгс/см², 540 С.

Тепловые электрические станции (ТЭС), атомные станции (АЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) на которых агрегатами для привода электрогенераторов служат паровые и газовые турбины, являются первоосновой энергетики в настоящее время и будущем.

Паровые турбины в течении 70 лет (из прошедших 100) снабжались паром из котлов, где сжигалось минеральное топливо. После пуска в 1954 г. первой в мире советской АЭС, началось бурное развитие атомной энергетики. В настоящее время на всех АЭС мира единственным двигателем для привода электрогенератора является паровая турбина. Аналогичное положение и в атомном судостроении.

Сегодня широко обсуждается использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии. На электростанциях, базирующихся на солнечной энергии и энергии геотермальных вод, для привода электрогенератора опять же предусматривается паровая турбина, т.к. другие виды тепловых двигателей требуют весьма высокой температуры рабочей среды, не обеспечиваемой в данных случаях. Без паровой турбины нельзя обойтись и на электростанциях с ТГД генераторами и при преобразовании энергии в термоядерных установках.

Начальный период развития турбостроения в нашей стране характеризовался изготовлением паровых турбин небольшой мощности, а затем выпуском турбин по лицензиям зарубежных фирм. Однако уже в 30-е годы советские энергомашиностроители начали создавать свои оригинальные конструкции. С 1934 г. практически был прекращен импорт паровых турбин.

В настоящее время наши турбостроительные заводы проектируют и изготавливают сложнейшие паровые турбины мощностью до 1000 МВт. на высокие и сверхкритические начальные параметры пара для многих стран Европы и Азии, Африки и Америки. За рубежом имеются энергомашиностроительные заводы, построенные с нашей помощью; лицензии и чертежи на выпуск ряда турбин переданы некоторым зарубежным предприятиям.

Незадолго до Великой Отечественной войны наши ведущие заводы - ЛМЗ и ХТГЗ (Харьковский турбинный завод) – освоили выпуск паровых турбин мощностью 50 и 100 МВт. Особенно большим техническим успехом советского машиностроения было создание на ЛМЗ быстроходной (на 3000 об/мин) турбины 100 МВт, что по тому времени явилось значительным достижением в мировом турбостроении. В первые послевоенные годы на этих заводах было начато производство серии турбин высокого давления на начальные параметры 90 кгс/см², 500 °С (впоследствии 535 °С). Широкое применение в то время редких в мировой практике высоких параметров пара и удачная конструктивная разработка агрегатов позволили нашей стране, несмотря на большой ущерб, нанесенный войной, по важнейшим показателям занять ведущее положение в мировой энергетике.

В 1952 г. ЛМЗ изготовил несколько турбин 150 МВт и 170 кгс/см². Эти турбины дали советскому турбостроению и энергетике опыт работы с повышенными параметрами (до 580 °С) и промежуточным перегревом пара. В них, в частности, широкое применение нашли детали из аустенитных сталей.

Большое значение для нашей энергетики, а также для экспорта имели серии турбин на 130 кгс/см² и 565 °С и промперегревом до 565 °С. Массовый выпуск этих турбин сыграл большую роль в улучшении показателей электростанций.

Следующий этап развития нашего турбостроения характеризуется производством паровым турбин на сверхкритические параметры. При их разработке пришлось решить много сложных задач, связанных со значительным увеличением мощности, повышением параметров и очень большой длиной лопаток последних ступеней. Создание всех этих турбин потребовало улучшения конструирования агрегатов, решения сложных аэродинамических задач, особенно по ступеням низкого давления, нового подхода к проблемам надежности, главным образом динамической, серьезного изменения технологии изготовления методов контроля при производстве.

Впервые у нас в этой серии турбин мощность одного потока на выходе достигла 100, 125 и 133МВт при расчетном давлении в конденсаторе 0,035 кгс/см². Это стало возможным после создания уникальных последних лопаток длиной 960 и 1050 мм. По крайней мере , до середины 1977 г., кроме одной турбины французской станции «Паршвиль» с лопатками длиной 1000 мм нигде за рубежом не было работающих турбин на n = 3000 об/мин с лопатками такой или большей длины, хотя впервые в эксплуатацию наши турбины были введены более 15 лет тому назад.

Во всем мире возрастает роль атомной энергетики. На первом этапе развития атомной энергетики считалось что все проблемы ее создания и эксплуатации ограничиваются реакторной частью, а паровые турбины здесь или обычные или еще проще на пониженные параметры пара. Однако оказалось, что не только сегодня, но и видимо недостаточно длительную перспективу подавляющее большинство АЭС будет с водоохлаждаемым реактором, т.е. с параметрами пара перед турбиной, не встречающимися в обычной энергетики. Кроме того, оказалось , что показатели надежности наинизшие у турбинного оборудования. Например, на АЭС «Библис» в Германии с типовым энергоблоком мощностью 1200 МВт и реактором с водой под давлением коэффициент готовности за 20 месяцев после пуска в эксплуатацию составил 75,1 % в то же время по первому контуру он был существенно выше – 85,5%. В 1976 году этот показатель для энергоблока был равен всего 52,6%, причем неплановые простои (32% времени года ) обусловлены удлинением периода ревизии и ремонта, дополнительными инспекциями и.т.п. (главным образом по турбинной установке)

- коэффициент готовности,

- рабочее время, - время вынужденных простоев

В СССР турбины насыщенного пара, устанавливаемые на АЭС, проектируются и изготавливаются ХТГЗ. После отработки первых агрегатов завод перешел к серийному выпуску турбин К – 220 – 44, эксплуатирующихся сейчас на АЭС у нас в стране и за рубежом. Следующим этапом развития турбин АЭС было создание серии турбин К – 500 – 65/3000, успешно работающих на ЛАЭС с 1975 г. и установленных на других АЭС. Эти турбины до недавнего времени были самыми мощными в мире быстроходными турбинами насыщенного пара. Недавно в ФРГ пущена одна турбина мощностью 620 МВт на АЭС «Неккар».

В настоящее время заводом спроектированы две серии тихоходных турбин (на n = 1500 об/мин) включающие агрегаты 500 и 1000 МВт с лопатками длиной 1450 мм. Харьковский турбинный завод изготовил из этой серии турбину К – 500 – 60/1500 и приступил к производству таких турбин мощностью 1000 МВт. Кроме разработки последней ступени этой турбины ХТГЗ пришлось решить много сложных задач, из которых следует в первую очередь отметить сварку роторов ЦНД, защиту от эрозии, сепарацию влаги, а также исследования неустановившихся режимов работы.

Различие в водоснабжении и климатических условиях АЭС, с одной стороны, и успехи заводов и научных организаций в создании последних ступеней, влагоудаления, борьбе с эрозией, с другой , привели к целесообразности и в Советском Союзе, и в других европейских странах иметь турбины насыщенного пара как на n = 1500 об/мин, так и на 3000 об/мин. В связи с этим на ХТГЗ разработаны турбины на 3000 об/мин – пятицилиндровые К – 750 – 65/3000 и четырехцилиндровые К – 500- 60/3000.

В настоящее время на отечественных АЭС в энергоблоке устанавливаются на один реактор по две турбины. На Белоярской АЭС с реактором на быстрых нейтронах БН – 600 установлены стандартные турбины ЛМЗ К – 200 – 130 с несколько пониженными температурами пара. Дальнейшее развитие атомной энергетики потребует, естественно, больших мощностей. Во Франции изготавливаются энергоблок АЭС «Суперфеникс» с турбиной 1200 МВт и параметрами пара перед турбиной 181 кгс/см² и 487 °С.

Ведутся работы по использованию атомной энергии для целей теплофикации. Экономически наиболее целесообразным, как и в обычной энергетике, является комбинированная выработка энергии. Сейчас проектируются теплофикационная турбина насыщенного пара максимальной мощностью 500 МВт.

Развитие паротурбостроения заключается не только в расширении номенклатуры турбин, создании новых агрегатов, уменьшении их показателей, но и количественном росте выпуска паровых турбин. Так в период 1976 – 1980 г.г. по сравнению с периодом 1971 – 1975 г.г. общая мощность турбин возросла почти на 40%.

Развитие турбоагрегатов для АЭС на первых этапах происходила по мере развития ядерных реакторов и паропроизводительных установок в соответствии с требованиями, выдвигаемыми реакторами. До настоящего времени проектировать турбоагрегаты пониженных параметров пара, т.к. пока существующие энергоблоки не позволяют серийные турбоагрегаты.

Для перспективных блоков АЭС с канальными кипящими реакторами обеспечивающими получение перегретого пара, рассматривается возможность использовать турбоагрегаты К – 500 – 240, К – 800 – 240 и вновь создаваемые мощностью 1200 МВт. Для перспективных атомным ТЭЦ также могут использоваться серийные турбоагрегаты с регулируемыми отборами пара и противодавлением.