Тепловые циклы турбинных установок

КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ПАРОВЫХ ТУРБИН

Современная энергетика основывается на централизованной выработке электроэнергии. Генераторы электрического тока, устанавливаемые на электрических станциях, в подавляющем большинстве приводятся паровыми турбинами. Доля электроэнергии, производимой в нашей стране тепловыми и атомными электростанциями, где применяются паровые турбины, составляет 83—85%.

Таким образом, паровая турбина является основным типом двигателя на современной тепловой электростанции и в том числе на атомной. Паровая турбина получила также широкое распространение в качестве двигателя для кораблей военного и гражданского флота. Паровые турбины применяются, кроме того, для привода различных машин — насосов, газодувок и др.

Использование в энергетике другой тепловой турбины — газовой — не привело к вытеснению паровых турбин. Собственно газовые турбины нашли применение как пиковые агрегаты, работающие в течение года относительно мало времени. В суммарной выработке электроэнергии они занимают небольшую долю, не превышающую 12%. В то же время комбинации газовой и паровой турбины, так называемые парогазовые установки, весьма перспективны, поскольку они могут обеспечить наивысший КПД теплосилового цикла, т. е. производство электроэнергии с минимальным расходом топлива. В настоящее время эти установки интенсивно развиваются, занимая все большее место в энергетике.

Для большинства новых способов преобразования энергии, не нашедших пока широкого распространения, таких как использование солнечной и геотермальной энергии, топливных элементов, термоядерного синтеза для выработки электроэнергии, для вращения электрогенератора также необходима паровая турбина.

Паровая турбина, обладающая большой быстроходностью, отличается сравнительно малыми размерами и массой и может быть построена на очень большую мощность (миллион киловатт и более), превышающую мощность какой-либо иной машины. Вместе с тем у паровой турбины исключительно хорошие технико-экономические характеристики: относительно небольшая удельная стоимость, высокие экономичность, надежность и ресурс работы, составляющий десятки лет.

Создание паровой турбины, как и всякое новое крупное изобретение, нельзя приписать отдельному лицу. В течение XIX в. различными изобретателями было выдвинуто много предложений для преобразования тепловой энергии в механическую с использованием скоростного напора вытекающей струи пара. Имеются сведения о том, что в 30-х годах прошлого столетия в отдельных установках применялись паровые турбины, конструктивно похожие на сегнерово колесо, т. е. использующие реактивное усилие вытекающей струи пара.

Конструктивное оформление паровой турбины существенно изменилось при дальнейшем ее развитии. В конце прошлого столетия независимо друг от друга в Швеции Густав Лаваль и в Англии Чарльз Парсонс стали работать над созданием и усовершенствованием паровой турбины.

Достигнутые ими результаты привели к тому, что паровая турбина со временем стала основный типом двигателя для привода генераторов электрического тока и получила широкое применение в качестве судового двигателя. В турбине Лаваля, созданной в 1883 г., пар поступает в одно или несколько сопл, приобретает в них значительную скорость и направляется на рабочие лопатки, расположенные на ободе диска, сидящего на валу турбины (рис. 1.1).

Усилия, вызванные поворотом струи пара в каналах рабочей решетки, вращают диск и связанный с ним вал турбины.

Отличительной особенностью этой турбины является то, что расширение пара в соплах от начального до конечного давления происходит в одной ступени, что определяет очень высокие скорости потока пара. Преобразование кинетической энергии пара в механическую осуществляется без дальнейшего расширения пара лишь вследствие изменения направления потока в лопаточных каналах.

Турбины, построенные но 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 большое значение для дальнейшего развития паровых турбин. Были применены расширяющиеся сопла, называемые теперь соплами Лава л я, которые позволяют эффективно использовать большую степень расширения пара и достигнуть высоких, сверхзвуковых скоростей пара. Для своих турбин Лаваль разработал конструкцию диска равного сопротивления, допускающего работу с большими окружными скоростями (350 м/с). Наконец, одноступенчатые активные турбины имели частоту вращения (до 640 1/с), 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.

Несмотря на ряд новых конструктивных решений, использованных в одноступенчатых активных турбинах, экономичность их была невысока. Кроме того, необходимость применения редукторной передачи для снижения частоты вращения ведущего вала до уровня частоты вращения приводимой машины также тормозила в то время развитие одноступенчатых турбин и в особенности увеличение их мощности. Поэтому одноступенчатые турбины Лаваля, получив в начале развития турбостроения значительное распространение в качестве агрегатов небольшой мощности (до 500 кВт), в дальнейшем уступили место турбинам других типов.

Паровая турбина, предложенная в 1884 г. Парсонсом, существенно отличается от турбины Лаваля; 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 (рис. 1.2).

Сопловые лопатки закреплены в неподвижном корпус турбины, рабочие лопатки располагаются рядами на барабане. В каждой ступени такой турбины перерабатывается тепловой перепад, составляющий лишь небольшую долю полного перепада между начальными параметрами пара и давлением

пара, покидающего турбину. Таким образом, оказалось возможным работать с 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, получили название реактивных ступеней. Таким образом, показанная на рис. 1.2 турбина явилась типичным представителем многоступенчатых реактивных паровых турбин.

Принцип последовательного расположения ступеней, в каждой из которых используется лишь часть располагаемого теплового перепада, оказался плодотворным для последующего развития паровых турбин и позволил достигнуть в турбине высокой экономичности при умеренной частоте вращения ротора турбины, допускающей непосредственное соединение вала турбины с ротором генератора электрического тока. Этот же принцип дал возможность выполнять турбины весьма большой мощности, достигающей сегодня почти 1,5 млн. кВт в одном агрегате.

Развитие активных паровых

турбин пошло также по пути последовательного расширения пара не в одной, а в ряде ступеней, расположенных друг за другом. В этих турбинах диски, укрепленные на общем валу, разделены перегородками, получившими название диафрагм, в которых установлены неподвижные сопловые лопатки. В каждой из выполненной таким образом ступеней происходит относительно небольшое расширение пара.

В настоящее время по характеру расширения пара и преобразования энергии разница между ступенями активного и реактивного типа частично сгладилась, однако осталось значительное различие в конструктивном оформлении ступеней.

Наряду с осевыми турбинами, в которых пар движется в направлении оси вала турбины, были созданы конструкции радиальных турбин, в которых пар течет в плоскости, перпендикулярной оси турбины. Из последних наиболее интересной является радиальная турбина, предложенная братьями Юнгстрем в 1912 г. в Швеции. Принципиальная схема турбины показана на рис. 1.3.

На боковых поверхностях дисков / и 2 кольцами постепенно возрастающею диаметра располагаются лопатки реактивных ступеней. Пар в турбину подводится по трубам 3 и далее через отверстия в дисках / и 2 направляется к центральной камере. Отсюда пар течет к периферии через каналы лопаток 6 и 7, укрепленных на обоих дисках.

В отличие от обычной конструкции в турбине Юнгстрем нет неподвижных сопловых лопаток. Оба диска вращаются во встречных направлениях, так что мощность, развиваемая турбиной, должна передаваться валами 4 и 5. Принцип встречного вращения роторов позволяет выполнить турбину компактной и экономичной. Однако необходимость в двух генераторах, сложная конструкция и большие напряжения в лопатках ограничили применение этих турбин.

С начала 90-х годов прошлого столетия развитие паровых турбин идет исключительно быстрым темпом. Это развитие в значительной степени определялось параллельным развитием электрических машин и широким внедрением электрической энергии в промышленность.

В период до войны 1914 г. уровень знаний о работе металлов при высоких темпера турах был недостаточен для применения пара высоких температур и давлений. Поэтому паровые турбины строились преимущественно для работы паром умеренного давления (1,2—1,6 МПа) с температурой до 350° С. В 1915 г. мощность отдельных турбин достигала 20 МВт.

Одновременно с конструктивными усовершенствованиями турбин умеренного давления стали распространяться более экономичные установки высокого давления (12—17 МПа). Применение пара высоких параметров, существенно повышающее экономичность турбинной установки, потребовало новых решений при конструировании паровых турбин. Значительные успехи были достигнуты в использовании легированных сталей, имеющих достаточно высокий предел текучести и малые скорости ползучести при температурах 500—550С) С.

Наряду с развитием конденсационных турбин в начале этого столетия начинают применяться установки для комбинированной выработки электрической энергии и теплоты, которые потребовали создания турбин с противодавлением и промежуточным регулируемым отбором пара. Первая турбина с регулированием расхода отбираемого пара была построена в 1907 г.

По мере увеличения мощностей целесообразным явилось повышение начальных параметров пара, которые выбирались от 9 до 25 МПа и, наконец, 35 МПа; при этом повышались также и начальные температуры, которые составили от 500 до 580° С, а в отдельных случаях —до 650° С. Широко стал применяться промежуточный перегрев пара. Следует иметь в виду, что при температурах, превышающих 565° С, приходится применять очень дорогие и обладающие рядом технологических и других недостатков стали аустенитного класса. Это привело к тому, что в 60— 70-х годах произошло некоторое отступление к несколько пониженным температурам свежего и вторично перегретого пара—до 535—540° С. Эти температуры за относительно редким исключением приняты в настоящее время для большинства энергетических паровых турбин разных типоразмеров.

Паровые турбины в России начал выпускать в 1907 г. в г. Санкт-Петербурге Металлический завод — Ленинградский металлический завод (ЛМЗ). До Великой Октябрьской социалистической революции завод строил энергетические, а также судовые паровые турбины небольшой мощности.

Развитие советской энергетики потребовало расширения турбостроительной промышленности. В стране была организована мощная база для изготовления паровых турбин, построены новые заводы.

Первоначально изготовление стационарных паровых турбин было сосредоточено на ЛМЗ, который в 1924 г. выпустил первую паровую турбину мощностью 2 МВт. С 1930 г. ЛМЗ начал изготовлять турбины мощностью 24 и 50 МВт. В 1933 г. ЛМЗ выпустил оригинальную турбину с промежуточным отбором пара для отопления мощностью 25 МВт, а в 1937 г. изготовил конденсационные турбины с частотой вращения 50 1/с мощностью 50 и 100 МВт. Столь мощные быстроходные турбины1 до этого не встречались в практике мирового турбостроения.

Паровые турбины небольшой мощности выпускались с 1931 г. Кировским заводом в Ленинграде (ныне —Санкт-Петербурге), а с 1937 г.— Невским заводом им. В. И. Ленина. В 1934 г. было завершено строительство крупного энергомашиностроительного завода в г. Харькове (ПОАТ ХТЗ — ныне НПО Турбоатом), который до войны выпускал тихоходные1, на 25 1/с, турбины мощностью 50 и 100 МВт. Перед самой войной в г. Свердловске (ныне Екатеринбурге) был построен новый турбомоторный завод—ныне ПО ТМЗ.

Во время Великой Отечественной войны, в первые годы которой изготовление турбин было почти полностью прекращено, продолжалось проектирование новых агрегатов: новой серии паровых турбин на 50 1/с мощностью до 100 МВт (ЛМЗ) и с противодавлением мощностью 25 МВт (ХТЗ). Производство этих турбин, рассчитанных на параметры свежего пара —давление 8,8 МПа и температуру 480° С, началось сразу же после войны. Впоследствии начальная температура пара была поднята до 535° С.

В 1952 г. ЛМЗ разработал конденсационную турбину мощностью 150 МВт на 50 1/с, которая была предназначена для работы при параметрах свежего пара 16,6 МПа, 550° С и промежуточном перегреве пара до 520° С. Эта турбина стала первой европейской турбиной таких типа и мощности. Позже эти турбины изготовлялись для работы при температуре 580° С.

С 1957 г. начали строиться конденсационные турбины ЛМЗ мощностью 100 МВт на 8,8 МПа, 535° С и 200 МВт на 12,8 МПа, 565° С с промежуточным перегревом до 565° С. Кроме того, ЛМЗ выпустил турбины с двумя промежуточными отборами пара мощностью 50 МВт. ХТЗ изготовил турбины мощностью 100 МВт (на 8,8 МПа) и 160 МВт (на 12,8 МПа с промежуточным перегревом).

Турбины ЛМЗ мощностью 200 -210 МВт установлены на отечественных и зарубежных электростанциях. Переход на массовый выпуск турбин 160 и 200 МВт с начальным давлением пара 12,8 МПа, удельный расход теплоты которых на 8—9% ниже, чем турбин высокого давления (на 8,8 МПа, 500° С и без промперегрева), позволил улучшить экономические показатели электростанций.

Следующий этап развития турбостроения характеризуется выпуском турбин на сверхкритические параметры пара. Это в первую очередь турбины ХТЗ и ЛМЗ мощностью 300 МВт, которые были созданы в 1960 г. и рассчитаны на начальные параметры пара 23,5 МПа и 560° С с промежуточным перегревом до 565° С.

Турбины сверхкритических параметров пара работают с частотой вращения я = 50 1 /с. В 1965 г. выпущены турбины на сверхкритические параметры пара — двухвальный агрегат ЛМЗ мощностью 800 МВт и одновальная турбина ХТЗ мощностью 500 МВт; с 1969 г. ЛМЗ серийно производит одновальные агрегаты 800 МВт, а с 1980 г.— мощностью 500 МВт на параметры пара 23,5 МПа, 540° С с промежуточным перегревом до той же температуры. Кроме того, ЛМЗ изготавливает на экспорт одновальные агрегаты 500 МВт на начальные параметры пара 16,3 МПа и 535° С с промежуточным перегревом до 535° С.

С 1982 г. на Костромской ГРЭС эксплуатируется одновальная турбина ЛМЗ на 50 1/с номинальной мощностью 1200 МВт при параметрах свежего пара 23,5 МПа, 540° С с промежуточным перегревом до 540° С; аналогичных по мощности одно-вальных, быстроходных агрегатов, даже на более низкие параметры пара, пока нет нигде в мире.

ЛМЗ также изготавливает ряд теплофикационных турбин на 12,8 МПа и 540° С, включая турбину с промежуточным перегревом пара до 540° С номинальной мощностью при отопительном отборе пара 130 кг/с, равной 180 МВт, и конденсационной мощностью до 210 МВт.

Турбомоторный завод (ТМЗ) ориентирован на разработку теплофикационных агрегатов разного назначения. Здесь и крупные турбины с противодавлением (до 100 МВт), предназначенные для химической промышленности, турбины с отопительным отбором пара на 12,8 МПа и 555° С мощностью 50, 100 и 175 МВт, турбины с двумя регулируемыми отборами пара — производственным и отопительным при номинальной мощности, равной 135 МВт, и номинальных отборах пара 90 и 60 кг/с, и конденсационной мощностью 165 МВт.

Большим достижением отечественного турбостроения стала изготовленная ТМЗ в 1970 г. теплофикационная турбина Т-250/300-23,5, в течение длительного времени остававшаяся самой мощной в мире и единственной, рассчитанной на сверхкритические параметры пара. Турбина изготовляется серийно и устанавливается на ТЭЦ при 23,5 МПа, 540° С с промежуточным перегревом до 540° С, ее максимальная мощность составляет 300 МВт, т. е. турбина предназначена для работы в энергоблоке с такого же типа котлами и электрогенераторами, как и серийные конденсационные турбины К-ЗОО-23,5 ХТЗ и ЛМЗ.

Развитие атомной энергетики потребовало не только использования турбин, успешно работающих на обычных тепловых электростанциях (например, турбин К-200-12,8 ЛМЗ, установленных на Белоярской АЭС на энергоблоке с реактором на быстрых нейтронах БНР-600), но, главное, разработки и производства турбин АЭС специальных типов.

Основным производителем турбин для атомной энергетики является ХТЗ. Начав с турбин относительно небольшой мощности 70 и 220 МВт (соответственно на 2,8 и 4,4 МПа), работающих на практически насыщенном паре (начальная влажность примерно 0,5%), ХТЗ изготовил для Нововоронежской АЭС две тихоходные, на 50 1/с, турбины мощностью 500 МВт при давлении свежего пара 5,9 МПа.

В настоящее время ХТЗ изготавливает несколько модификаций (на те же параметры пара) тихоходных турбин на 25 1/с мощностью 1 млн. кВт. Эти модификации отличаются разной (до 5000 ГДж/ч — типа КТ) тепловой нагрузкой, получаемой из так называемых отборов нерегулируемого давления (см. § 9.6), а также некоторыми конструктивными изменениями. Все упомянутые выше паровые турбины ХТЗ для АЭС предназначены для работы в энергоблоках с реакторами типа ВВЭР.

Кроме того, ХТЗ имеет опыт эксплуатации турбин насыщенного пара мощностью 500 и 750 МВт на давление 6,4 МПа для работы в энергоблоках одноконтурных схем с реактором РБМК.

В последние годы к созданию турбин для электростанций, работающих на ядерном горючем, подключились и другие турбинные заводы. На ЛМЗ созданы и работают на нескольких энергоблоках АЭС с реакторами ВВЭР быстроходные турбины насыщенного пара на 50 1/с и 5,9 МПа мощностью 1 млн. кВт, а на ТМЗ разработана теплофикационная турбина с отопительным отбором пара до 1900 ГДж/ч на те же параметры и ту же частоту вращения при мощностях номинальной — 450 МВт и максимальной—500 МВт. Кроме того, на ЛМЗ

разработана турбина мощностью 800 МВт на 50 1/с, 12,8 МПа, 485° С для работы в энергоблоке с реактором БНР-800.

Наряду с ЛМЗ, ХТЗ и ТМЗ, где сконцентрирован выпуск турбин большой мощности, имеются заводы, изготавливающие турбины средней и небольшой мощности, в основном приводные — это Невский завод им. В. И. Ленина (НЗЛ) и Калужский турбинный завод (КТЗ).

За рубежом работают турбины отечественного производства—конденсационные (для ТЭС и АЭС), теплофикационные — единичной мощностью до 1 млн. кВт.

НПО Турбоатом, ЛМЗ, ТМЗ разработаны паровые турбины специфической конструкции при невысоких начальных параметрах пара с подачей пара двух давлений, но пока не столь больших мощностей 150—200 МВт для парогазовых установок утилизационного типа.

Для геотермальных ТЭС созданы ЛМЗ турбины мощностью 30 МВт, серии турбин небольшой мощности разрабатываются КТЗ.

Следует отметить, что по ряду важнейших показателей паротурбостроения, таких как максимальная мощность одно-вального (т. е. приводящего во вращение один электрогенератор) быстроходного агрегата сверхкритического давления (турбина К-1200-23,5 ЛМЗ, проект теплофикационной турбины К-450/500-5,9 ТМЗ для АТЭЦ, серии турбин ХТЗ и ЛМЗ мощностью 1 млн. кВт с большими отопительными отборами пара), отечественная промышленность опередила зарубежное турбостроение.

В отечественных турбинах применяются высокоэффективные турбинные ступени (см. гл. 3 и 10), в том числе с нетрадиционными профилями, оригинальной формы меридиональными обводами (см. гл. 2 и 3). Последняя лопатка — важнейший элемент конденсационной турбины имеет очень большую длину (1200 мм для /1 = 50 1/с), и для них ЛМЗ использует титановые сплавы. Рабочие лопатки многих ступеней объединяются в кольцо благодаря цельнофрезерованным покрывающим бандажам. Высокая экономичность обеспечивается, в частности, новыми конструкциями клапанов, направленными протечками пара в ступенях, нестандартными методами сепарации влаги (см. гл. 4, 5 и 6), большим (до четырех —в турбинах для АЭС) числом ЦНД (см. гл. 6 и 10). В турбинах для комбинированной выработки теплоты и электроэнергии используются ступенчатый подогрев сетевой воды и отборы нерегулируемого давления (см. гл. 9 и 10), применяются встроенные пучки в конденсаторах.