Įvadas į garo turbinas ir turbogeneratorius
Turbina - tai energijos rūšies keitimo įtaisas, variklis, kuris vandens, garo arba dujų srovės kinetinę energiją verčia mechaniniu darbu. Turbiną sudaro bent viena besisukanti dalis, vadinama rotoriumi, kuri yra velenas arba būgnas su primontuotomis mentėmis. Žodis „turbina“ kilęs iš prancūzų k. turbine, suformuoto iš lotynų k. turbo, o šis - iš senovės graikų k. τύρβη (tyrbē), reiškiančių sūkurį.
Garo turbina yra garu varoma pavara, kuri garo šiluminę energiją paverčia mechaniniu darbu - sukimo momentu. Vanduo kaitinamas itin aukštoje temperatūroje, kad virstų garais. Didelio slėgio garo sukurta energija paverčiama mechanine energija, kuri sukasi garo turbinos mentes.
Kai garo turbina yra prijungta prie generatoriaus, ji gamina elektros energiją ir yra žinoma kaip garo turbina varomas generatorius, arba turbogeneratorius. Generatorius apibūdinamas kaip mašina, kuri mechaninę energiją paverčia elektros energija. Generatoriuje naudojami suvynioti laidai sukasi magnetiniame lauke, dėl kurio per laidą teka elektros srovė. Turbogeneratoriuose įmontuotos pagalbinės sistemos leidžia dirbti saugiai ir efektyviau.
Garo turbinomis varomi generatoriai paprastai yra didelės spartos mašinos. Jų galia dažniausiai svyruoja tarp 0,5-500 MW, o galingiausi gali siekti ir 1200 MW. Lietuvoje pirmoji garo turbina įrengta Vilniaus elektrinėje 1912 metais, o jos galia siekė 960 kW.
Garo turbinos veikimo principas
Garo turbina varomame generatore šiluma generuojama iš šaltinio. Yra katilas, kuriame yra vanduo, o šiluma paverčia jį aukštos temperatūros ir aukšto slėgio garais. Garo gamyba priklauso nuo srauto greičio ir šilumos perdavimo paviršiaus ploto bei naudojamos degimo šilumos.
Šie garai iš katilo per purkštukus nustumiami į turbiną, kuri sukasi ant veleno sumontuotas mentes. Garo turbina susideda iš korpuso, prie kurio viduje pritvirtintos stacionarios mentės, o rotoriaus periferijoje yra judančios mentės. Generatorius yra pritvirtintas prie turbinos, ir kai sukasi turbinos mentės, generatorius veikia magnetinės indukcijos principu ir sukuria elektrą.
Garai dažniausiai kondensuojami į kondensatorių. Todėl katilas, garo turbina, generatorius ir kondensatas sudaro pagrindinius garu varomų generatorių komponentus. Garo turbinos taip pat gali veikti be kondensatoriaus, tačiau užtikrina žymiai mažesnę galią tokio pat dydžio turbinai.
Kaip veikia garo turbinos komponentai? Energetikos inžinerijos mokymai
Garo turbinų komponentai ir energijos konversija
Garo turbina yra pagrindinis galios įtaisas, kuris garo šiluminę energiją paverčia mechaniniu darbu. Jos komponentai sukurti remiantis keturiais pagrindiniais principais: „garų energijos konversija - mechaninis energijos perdavimas - veikimo valdymas - saugos užtikrinimas“. Kiekviena dalis veikia kartu, kad pasiektų efektyvų ir stabilų energijos išeigą.
Energijos konversijos šerdis: Šiluma → Kinetinė → Mechaninė
Tai yra turbinos transformacijos iš „šilumos energija → kinetinė energija → mechaninė energija“ šerdis ir tiesiogiai lemia įrenginio efektyvumą.
Purkštukai (statoriaus mentės)
Purkštukai yra „pirmasis energijos keitiklis“, skirtas garams, patenkantiems į turbiną. Kai aukšto slėgio garai teka pro antgalį, kanalas susiaurėja, todėl garo slėgis krenta, o greitis smarkiai padidėja (garo šiluminė energija paverčiama kinetine energija). Taip susidaro didelio greičio garo srautas, kuris ruošiasi tolesniam darbui, kurį atlieka rotoriaus mentės.
Rotoriaus mentės
Rotoriaus mentės yra energijos konversijos „vykdomieji komponentai“. Kai greitas garų srautas atsitrenkia į rotoriaus mentes, jis sukuria šoninę trauką, verčia suktis rotoriaus mentes ir prijungtą veleną (garo srauto kinetinę energiją paverčia rotoriaus mechanine energija). Jos yra tiesioginis turbinos išėjimo galios šaltinis. Rotoriaus menčių forma (pvz., susukto tipo) turi tiksliai atitikti garo srauto kryptį, kad energijos nuostoliai būtų kuo mažesni.
Diafragmos
Diafragmos yra purkštukų „atraminė ir padėties struktūra“. Jos pritvirtintos prie cilindro sienelės su centrine anga, per kurią gali praeiti rotorius.
Mechaninis energijos perdavimas ir stabilumo užtikrinimas
Šie komponentai atsakingi už judančių menčių generuojamos sukimosi mechaninės energijos perdavimą į generatorių (ar kitas apkrovas), tuo pačiu užtikrinant stabilumą sukantis dideliu greičiu.
Rotorius
Rotorius yra garo turbinos „besisukanti šerdis“. Pagal įrenginio tipą jis skirstomas į „impulsinį rotorių“ ir „reakcinį rotorių“.
Impulsinis rotorius
Impulsinis rotorius susideda iš pagrindinio veleno, sparnuotės ir judančių menčių. Judančios mentės yra pritvirtintos prie sparnuotės, o sparnuotė - ant pagrindinio veleno. Jis tinka aukšto slėgio, mažos talpos įrenginiams.
Reakcinis rotorius
Reakcinis rotorius neturi sparnuotės, o judančios mentės yra tiesiogiai pritvirtintos prie pagrindinio veleno (arba būgno). Rotorius turi didesnį bendrą standumą ir tinka vidutinio iki mažo slėgio, didelės galios įrenginiams (pvz., 300 MW ir didesnės šiluminės galios garo turbinoms).
Pagrindinis velenas ir movos
Pagrindinis velenas yra rotoriaus „skeletas“, laikantis sparnuotės / judančias mentes. Movos sujungia turbinos rotorių su generatoriaus rotoriumi (ar kitomis apkrovomis) ir perduoda sukimosi momentą.
Fiksuota atrama ir garų sandarinimas
Šios sistemos suteikia fiksuotą atramą besisukančiai sistemai, izoliuoja garus ir apsaugo nuo garo nuotėkio (kuris turi įtakos efektyvumui) ir oro patekimo (kuris sutrikdo vakuumą).
Cilindras
Cilindras yra turbinos „apvalkalas“. Pagamintas iš lietojo arba legiruotojo plieno, jis padalintas į aukšto slėgio, vidutinio slėgio ir žemo slėgio cilindrus (skirta kelių cilindrų blokams). Viduje jame yra komponentų, tokių kaip membranos, purkštukai ir rotoriai, sudarantys uždarą garų kanalą. Cilindras turi būti pakankamai tvirtas, kad atlaikytų aukštą garų slėgį ir temperatūrą, ir turi būti užsandarintas flanšais ir varžtais, kad būtų išvengta garo nuotėkio.
Garų sandarikliai
Garų sandarikliai yra „pagrindiniai priešnuotėkio komponentai“. Jie skirstomi į tris tipus:
- Veleno sandariklis: sumontuotas ten, kur rotorius eina per cilindrą, neleidžiant aukšto slėgio garams nutekėti cilindro viduje išilgai veleno galo (sumažinant energijos nuostolius) arba nepatekti oro iš kondensatoriaus pusės (pažeidžiant vakuumą).
- Diafragmos garų sandariklis: sumontuotas tarpelyje tarp centrinės diafragmos angos ir rotoriaus, neleidžiant garams tekėti tarp gretimų slėgio pakopų (išvengiama tarppakopinių energijos nuostolių).
- Menčių antgalio garų sandariklis: sumontuotas tarpe tarp judančių menčių viršaus ir cilindro vidinės sienelės, sumažinantis garų nuotėkį per menčių viršūnes ir pagerinantis etapo efektyvumą.
Guoliai
Guoliai yra rotoriaus „atramos ir trintį mažinantys komponentai“.
Veikimo valdymas ir apsauga
Šios sistemos reguliuoja turbinos galią pagal išorinės apkrovos poreikius (pvz., elektros energijos suvartojimo pokyčius) ir apsaugo įrenginį neįprastomis sąlygomis.
Reguliavimo sistema
Reguliavimo sistema yra „apkrovos valdymo centras“. Jį sudaro reguliatorius, hidraulinė pavara, valdymo vožtuvas ir transmisijos mechanizmas:
- Valdiklis (pvz., išcentrinis arba elektrohidraulinis) stebi rotoriaus greitį realiuoju laiku. Kai keičiant apkrovą greitis nukrypsta nuo vardinės vertės (pvz., sumažėja tinklo elektros suvartojimas → greitis didėja), išvedamas signalas.
- Signalas perduodamas į hidraulinę pavarą, kuri varo valdymo vožtuvą (įrengtą prie turbinos garų įleidimo angos).
- Reguliavimo vožtuvas reguliuoja garų srautą (pvz., jei greitis didėja, vožtuvas šiek tiek užsidaro, kad sumažintų garą), atkuria rotoriaus greičio stabilumą, o įrenginio išeiga reguliuojama, kad ji atitiktų apkrovą.
Apsaugos sistema
Apsaugos sistema yra „saugos linija“, skirta apsaugoti įrenginį nuo pažeidimų neįprastų situacijų metu.
Kondensavimo sistema
Kondensavimo sistema (daugiausia naudojama kondensacinėms turbinoms) yra „raktas į efektyvumo didinimą“.
Tepimo sistema
Tepimo sistema yra „įrangos naudojimo trukmės garantija“.
Garo turbinų tipai ir savybės
Pagal veikimo principą
Yra du pagrindiniai garo turbinų tipai - impulsinės ir reakcijos turbinos, kurių mentės skirtos valdyti garo, einančio per turbiną, greitį, kryptį ir slėgį. Didesnės garo turbinos veikimas gali būti sudėtingas, nes joje naudojamas rotoriaus menčių rinkinys. Kiekvienas menčių rinkinys vadinamas etapu, kuris veikia impulsu arba reakcija.
Impulsinės turbinos
Čia rotorius sukasi dėl didelės jėgos arba tiesioginio garo stūmimo ant menčių.
Reakcijos turbinos
Čia rotorius sukasi nuo reakcijos jėgos, o ne nuo smūgio ar impulso jėgos. Reaktyvioji jėga atsiranda dėl garų slėgio energijos pasikeitimo, kai garai palieka mentes. Šis metodas paprastai veikia didesniu efektyvumu nei impulsinės turbinos.
Pagal garo aušinimo procesą
Turbinos taip pat skiriasi savo garo aušinimo procesu.
Kondensacinės turbinos
Kondensacinės turbinos, dažniausiai naudojamos didelėse elektrinėse elektrai gaminti, paverčia garą vandeniu, naudodamos kondensatorius. Tai leidžia garui labiau išsiplėsti ir palengvina turbinos išgauti iš jo maksimalią energiją, todėl elektros gamybos procesas tampa daug efektyvesnis.
Nekondensacinės turbinos
Nekondensuojančios turbinos šios funkcijos neturi, todėl jos naudojamos retai, išskyrus mažas pagalbines sistemas, kur reikia tik mažos galios.
Didelėse garo turbinose, iškastinio kuro elektrinėse, garo slėgis gali siekti 20-30 MPa (3000-4000 psi arba apie 200-270 kartų didesnis už atmosferos slėgį), tačiau paprastai jis veikia mažesniu nei 1000 psi. Įprasta elektrinės garo turbina sukasi 1800-3600 aps./min.
Efektyvumas ir veiklos veiksniai
Efektyvumo veiksniai
Garo turbinos generatoriaus efektyvumas priklauso nuo daugelio veiksnių, tokių kaip garo turbinos tipas, jos dydis, įleidžiamo garo slėgis ir temperatūra, išmetamųjų garų slėgis ir temperatūra bei garo srauto greitis. Garo turbinos tinka didelėms šiluminėms elektrinėms ir yra gaminamos įvairių dydžių, iki 1,5 GW (2 000 000 AG) turbinų, kurios naudojamos elektros gamybai.
Priežiūra ir patikimumas
Siekiant užtikrinti optimalų efektyvumą ir ilgalaikį patikimumą naudojant garo turbina varomą generatorių, būtina atsižvelgti į šiuos pagrindinius veiksnius, be pagrindinių saugos procedūrų:
- Reguliari sistemos įtampos ir dažnio priežiūra.
- Įrenginio komponentų darbinio slėgio, temperatūros ir greičio ribų optimizavimas.
- Komponentų sutepimas.
- Kuro padavimo į degimo kamerą proceso stebėjimas.
- Kondensatoriaus ir aušinimo skysčio kokybės palaikymas generatore.
- Naudoto generatoriaus tipas, transformatoriai ir aukštos įtampos perjungimas.
- Įspėjimas dėl apsaugos nuo perkrovos, avarinio išjungimo ir apkrovos pašalinimo.
Garo nusėdimo problema
Garu varomi generatoriai, dirbantys esant pastoviai apkrovai, dažnai sukelia garų nusėdimą ant stacionarių ir judančių menčių. Šios nuosėdos lemia mažą efektyvumą ir mažą našumą, o tai ilgainiui apriboja garo srautą dėl mažo energijos perdavimo efektyvumo. Tai retas atvejis generatoriuose, kur apkrova skiriasi, nes yra menčių plovimo efektas.
Taikymo sritys ir aplinkosaugos aspektai
Pramoninis ir energetinis panaudojimas
Garo turbinomis varomi generatoriai dažniausiai naudojami saulės šiluminėse, anglies, geoterminėse, branduolinėse, atliekų deginimo ir gamtinių dujų elektrinėse. Jie taip pat plačiai naudojami cemento, cukraus, plieno, popieriaus, chemijos ir kitose pramonės šakose. Didžioji dalis elektros energijos pasaulyje pagaminama garo turbinomis varomose elektrinėse. Vien Jungtinėse Valstijose apie 85.0 % elektros pagaminama naudojant garo turbinų generatorius.
Aplinkosaugos iššūkiai
Anglies ir iškastinio kuro deginimas, naudojamas elektros energijai gaminti iš garo turbinos generatoriaus, daro neigiamą poveikį aplinkai. Jie į orą ir vandenį išskiria anglies dioksidą ir kitus teršalus. Be to, garo turbinos paleidžiamos lėčiau nei dujų turbinos.
tags: #kurios #rusies #vandens #garu #energija #naudojama