Как работают паровые турбины?

Мы все привыкли к идее кипячения воды для приготовления чая или кофе, но
что, если бы вам приходилось кипятить воду каждый раз, когда вы хотите что-то сделать?
Что, если бы вам приходилось делать пар, чтобы заряжать свой iPod, смотреть
телевизор или пылесосить ковер? Звучит безумно, но это не так уж и далеко от истины
. Если только вы не используете возобновляемую энергию от чего-то вроде
солнечной панели или ветряной турбины, практически каждый ватт
потребляемой вами энергии поступает от электростанции, которая вырабатывает электричество из
кипящего, шипящего, быстро расширяющегося пара! Возможно, мы
больше не используем поршневые паровые двигатели для питания нашего мира, но мы все еще
используем их современные эквиваленты — паровые турбины. Что это такое
и как они работают? Давайте рассмотрим их подробнее!

Фото: Разрезная модель паровой турбины в масштабе 1/10 в Think Tank, научном музее в Бирмингеме, Англия. Пар поступает слева через серую трубу наверху, достигая самой середины турбины
и чуть выше нее. Затем он одновременно течет в обоих направлениях (влево и вправо) через реактивную турбину низкого давления, которая приводит в действие электрогенератор справа.

Почему пар содержит так много энергии?

Если вы когда-либо обжигались паром, вы знаете, что это невероятно больно — и гораздо больнее, чем обычный ожог горячей водой. Если вода и пар имеют одинаковую температуру, почему пар причиняет больше боли? Просто потому, что он содержит гораздо больше энергии. Чтобы превратить 1 кг (2,2 фунта) воды при 100 °C (212 °F) в 1 кг пара при той же температуре, вам нужно затратить около 2257 килоджоулей энергии, или примерно в 1000 раз больше, чем потребляет электрический чайник или тостер за одну секунду. Это абсолютно огромное количество энергии! Это то, что мы называем скрытой теплотой испарения воды: это энергия, которую вам нужно затратить, чтобы раздвинуть молекулы в воде достаточно далеко друг от друга и превратить кипящую горячую жидкость в горячий газ.

Так почему же пар причиняет больше боли? Если кипящая вода 100°C попадает на ваше тело, она остывает и отдает свое тепло; это энергия, которая обжигает вас. Если пар 100°C попадает на ваше тело, он сначала снова превращается в воду, а затем остывает, обжигая вас так же, как и горячая вода, но также отдавая вашему телу скрытую теплоту испарения. Именно эта дополнительная огромная доза тепловой энергии делает ожог паром намного более серьезным и болезненным, чем ожог горячей водой. С положительной стороны, эта скрытая энергия, «скрытая» в паре, делает его таким полезным в паровых двигателях и паровых турбинах!

Каким образом пар обеспечивает энергию?

Если вы когда-либо видели старомодный паровоз, вы можете себе представить,
насколько мощным может быть пар. Паровоз построен на основе
парового двигателя, сложной машины, основанной на простой идее: вы можете сжигать
топливо (уголь), чтобы высвободить энергию, хранящуюся внутри него. В паровом двигателе уголь
сгорает в печи и выделяет тепло, которое кипятит воду, как чайник,
и генерирует пар высокого давления. Пар поступает по трубе
в цилиндр с плотно прилегающим поршнем, который движется наружу, когда
пар поступает внутрь — немного похоже на велосипедный насос, работающий в обратном направлении.
Когда пар расширяется, чтобы заполнить цилиндр, он остывает, теряет давление и отдает свою энергию поршню
. Поршень толкает колеса локомотива, прежде чем вернуться
обратно в цилиндр, чтобы весь процесс можно было повторить.
Пар не является источником энергии: это жидкость, переносящая энергию
, которая помогает преобразовывать энергию, заключенную внутри угля, в механическую энергию
, которая приводит в движение поезд.

Фото: Сила пара: восстановленный локомотив, работающий на железной дороге Суонедж в Англии. Расширяющийся пар высвобождает энергию, которая приводит в движение поршни двигателя. Совершенно очевидно, что пар, выходящий из трубы, все еще содержит довольно много энергии, что является одной из причин, по которой такие двигатели настолько неэффективны. Паровые турбины с пользой захватывают гораздо больше энергии из пара — и являются гораздо более эффективными.

Паровые двигатели были великолепны: они приводили в действие мир на протяжении всей промышленной
революции с XVIII века вплоть до середины XX
века. Но они были огромными, громоздкими и относительно неэффективными.
Простой паровой поршень и цилиндр поставляют энергию
машине, которую он приводит в действие, только 50 процентов времени (во время рабочего
хода, когда пар фактически толкает его); в остальное время
он вталкивается обратно в цилиндр импульсом, готовым к
следующему рабочему ходу. Другая проблема заключается в том, что поршни и цилиндры
совершают возвратно-поступательное, толкающе-тянущее, возвратно-поступательное движение, когда (большую часть времени)
мы бы предпочли вращательное движение — вращение колеса. Чтобы компенсировать
эти проблемы, паровые двигатели имеют тщательно продуманные сложные цилиндры, которые
позволяют пару поступать с разных направлений, и тяжелые рычаги
(кривошипы и шатуны) для преобразования их возвратно-
поступательного движения во вращательное движение. Разве не было бы лучше,
если бы мы могли напрямую приводить в действие колесо силой пара,
исключив поршни, цилиндры, кривошипы и все остальное?
Это основная идея паровой турбины,
устройства для преобразования энергии, усовершенствованного британским инженером
сэром Чарльзом Парсонсом в 1880-х годах.

Что такое турбина?

Турбина — это вращающееся колесо, которое получает энергию от газа или жидкости, проходящей
мимо него. Ветряная мельница или ветряная турбина получают энергию от ветра,
в то время как водяное колесо или водяная турбина обычно приводятся в движение рекой,
протекающей над, под или вокруг них. Теперь вы не можете производить энергию из
воздуха: основной закон физики, называемый законом сохранения
энергии, гласит, что газ или жидкость всегда замедляются или меняют
направление, когда они протекают мимо турбины, теряя по крайней мере столько же
энергии, сколько турбина получает. Подуйте на ветряную мельницу, застрявшую в вашем
песчаном замке, и она начнет вращаться. Чего вы не видите, так это того, что ваше
дыхание довольно резко замедляется: с другой стороны
ветряной мельницы воздух из вашего рта движется гораздо медленнее!
Подробнее читайте в нашем введении к турбинам.

Что такое паровая турбина?

Теория паровой турбины

Произведение искусства: Ранняя конструкция паровой турбины, разработанная в 1888 году шведским инженером
Густавом де Лавалем (1845–1913).
Работает за счет направления прямолинейных струй высокоскоростного пара на стальное лопастное колесо
с разумной эффективностью, поэтому это пример импульсной турбины (объясняется ниже).
Произведение искусства, которое, как считается, находится в общественном достоянии, из книги «Паровая турбина» сэра Чарльза Парсонса, Cambridge University Press, 1911.

Как следует из названия, паровая турбина питается энергией горячего газообразного
пара и работает как нечто среднее между ветряной и водяной
турбинами. Как и ветряная турбина, она имеет вращающиеся лопасти, которые вращаются, когда
пар проходит мимо них; как и водяная турбина, лопасти плотно прилегают
к герметичному внешнему контейнеру, поэтому пар ограничен и
проталкивается мимо них на большой скорости. Паровые турбины используют пар высокого давления для
вращения электрогенераторов на невероятно высоких скоростях, поэтому они
вращаются намного быстрее, чем ветряные или водяные
турбины. (Типичная паровая турбина электростанции вращается со скоростью 1800–3600
об/мин — примерно в 100–200 раз быстрее, чем вращаются лопасти на типичной
ветряной турбине, которой необходимо использовать коробку передач для
достаточно быстрого привода генератора для выработки электроэнергии.) Так же, как в паровом двигателе,
пар расширяется и охлаждается, проходя мимо лопастей паровой турбины,
отдавая как можно больше энергии, которую он изначально содержал.
Но, в отличие от парового двигателя, поток пара вращает лопасти
непрерывно: нет никакого толкающего-тянущего действия или ожидания, пока поршень вернется в положение в цилиндре, потому что пар все время
толкает лопасти. Паровая турбина также намного компактнее парового двигателя: вращающиеся лопасти позволяют пару расширяться и приводить в движение машину в гораздо меньшем пространстве, чем потребовалось бы для поршнево-цилиндрово-кривошипной компоновки. Это одна из причин, по которой паровые турбины быстро стали использовать для питания кораблей, где пространство было очень ограничено.

Части паровой турбины

Все паровые турбины имеют одинаковые основные части, хотя их компоновка сильно различается .

Ротор и лопасти

Фото: Лопасти паровой турбины немного похожи на лопасти пропеллера, но сделаны из высокопроизводительных сплавов, поскольку пар, проходящий мимо, горячий, находится под высоким давлением и движется быстро. Фотография лопатки турбины, выставленной в Think Tank, научном музее в Бирмингеме, Англия.

Через центр турбины проходит
прочная ось, называемая ротором, которая передает мощность от турбины
к электрогенератору (или чему-либо еще, что приводит турбина в движение).
Лопасти являются самой важной частью турбины:
их конструкция имеет решающее значение для захвата как можно большего количества энергии из пара
и преобразования ее в энергию вращения путем вращения
ротора. Все турбины имеют набор вращающихся лопаток, прикрепленных к
ротору, и вращают его, когда пар попадает на них. Лопасти и
ротор полностью заключены в очень прочный
внешний корпус из легированной стали
(способный выдерживать высокие давления и температуры).

Импульсные и реактивные турбины

В одном типе турбины вращающиеся лопатки имеют форму ведер.
Высокоскоростные струи входящего пара из тщательно сформированных сопел
бьют в ведра, толкая их серией импульсов,
и отскакивают на другую сторону с похожей скоростью, но с
гораздо меньшим давлением (по сравнению с входящей струей).
Такая конструкция называется импульсной турбиной
, и она особенно хороша для извлечения энергии из пара высокого давления.
(Турбина Лаваля, показанная выше, является примером.)

В альтернативной конструкции, называемой реактивной турбиной, есть второй
набор неподвижных лопаток, прикрепленных к внутренней части корпуса турбины.
Они помогают ускорить и направить пар на вращающиеся лопатки
под правильным углом, прежде чем он выйдет с пониженной температурой
и давлением, но примерно с той же скоростью, что и при входе.

В обоих случаях пар расширяется и отдает часть своей энергии, проходя через турбину.
В идеальном мире все тепло и кинетическая энергия, потерянные паром, были бы получены
турбиной и преобразованы в полезную кинетическую энергию (заставляя ее вращаться). Но, конечно, турбина немного нагреется, часть пара может вытечь, и есть множество других причин, по которым турбины (как и все другие машины) никогда не бывают на
100 процентов эффективными.

Фото: Импульс и реакция. 1) Это водяное колесо Пелтона является примером импульсной турбины. Оно вращается, когда струя воды высокого давления выстреливает в ковши по краю из сопла справа. Паровые
импульсные турбины работают примерно так. Фото Джета Лоу, любезно предоставлено
Historic American Buildings Survey/Historic American Engineering Record/Historic American Landscapes Survey, Библиотека Конгресса США,
считается находящимся в общественном достоянии.
2) Реактивная турбина вращается, когда пар попадает на ее изогнутые лопатки. Фото Генри Прайса любезно предоставлено Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемой энергии (DOE/NREL).

Другие части

Помимо ротора и его лопаток, турбине также
необходим какой-либо вход для пара (обычно набор сопел,
направляющих пар либо на неподвижные, либо на вращающиеся лопатки).

Паровым турбинам также требуется некий механизм управления, который регулирует их скорость, чтобы они
вырабатывали столько энергии, сколько необходимо в любой конкретный
момент времени. Большинство паровых турбин находятся на огромных электростанциях,
приводимых в действие огромными печами, и нелегко уменьшить
количество вырабатываемого ими тепла. С другой стороны, спрос (нагрузка)
на электростанции — сколько электроэнергии ей нужно выработать — может
резко и относительно быстро меняться. Поэтому паровым турбинам необходимо
справляться с колебаниями выходной мощности, даже если их входной пар может быть
относительно постоянным. Самый простой способ регулировать скорость — использовать клапаны, которые выпускают часть пара, который в противном случае прошел бы через турбину.

Фото: Огромные серебряные паровые трубы, питающие турбины атомной электростанции Пало-Верде.
Фото Кэрол М. Хайсмит. Фотографии в Архиве Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

Практические паровые турбины

Несколько стадий

Фото: Несколько ступеней в типичной паровой турбине. Эта модель находится в Think Tank, научном музее в Бирмингеме, Англия.

На практике паровые турбины немного сложнее, чем мы предполагали до сих пор.
Вместо одного набора лопаток на роторе обычно есть несколько
разных наборов, каждый из которых помогает извлекать немного
больше энергии из пара до того, как он иссякнет.
Такая конструкция называется составной паровой турбиной.
Каждый набор лопаток называется ступенью и работает либо импульсно, либо реактивно, и
типичная турбина может иметь смесь импульсных и реактивных ступеней,
все они установлены на одной оси ротора и все вращают генератор одновременно
. Часто импульсные ступени идут первыми и извлекают энергию
из пара, когда он находится под высоким давлением; реакционные ступени идут
позже и извлекают дополнительную энергию из пара, когда он расширяется до большего
объема и более низкого давления, используя более длинные и большие лопатки. Многоступенчатый подход, изобретенный Чарльзом Парсонсом,
означает, что каждая ступень замедляет или снижает давление пара
лишь на относительно небольшую величину, что снижает силы на
лопатках (важное соображение для машины, которая может работать
годами без остановки) и значительно повышает общую выходную мощность турбины.

Фото: Несколько ступеней (крупный план): Увеличивая фотографию выше, вы можете увидеть, что каждая ступень больше предыдущей: больше в диаметре, более широко расставлена, с большими лопатками, установленными под большими углами, которые имеют более широкие отверстия между ними. Это позволяет пару постепенно расширяться на своем пути через турбину, таким образом он отдает свою энергию. Вы можете увидеть то же самое, даже более отчетливо, если посмотрите на эту замечательную фотографию старой двухпоточной паровой турбины Siemens с атомной станции.

Произведение искусства: Турбина Кертиса, разработанная в 1896 году
Чарльзом Г. Кертисом, является составной импульсной турбиной. По сути, это нечто среднее между простой импульсной турбиной Лаваля и многоступенчатой ​​реактивной турбиной Парсонса. Пар поступает через сопла вверху (желтые), затем проходит между рядом подвижных (синие) и неподвижных (красные) лопаток, прежде чем выйти внизу. Он ударяется о каждую лопатку и отскакивает — как в простой импульсной турбине. Произведение искусства, которое, как полагают, находится в общественном достоянии, из книги «Паровая турбина» сэра Чарльза Парсонса, Cambridge University Press, 1911.

Конденсирующиеся и неконденсирующиеся

Турбины также различаются по способу охлаждения проходящего через них пара.
Конденсационные турбины (используемые на крупных электростанциях для выработки
электроэнергии) превращают пар, по крайней мере, частично в воду, используя конденсаторы
и гигантские бетонные градирни. Это позволяет пару расширяться
больше и помогает турбине извлекать из него максимальную энергию, делая
процесс выработки электроэнергии намного более эффективным.
Для конденсации пара требуется большой запас холодной воды, и именно поэтому
электростанции с конденсационными турбинами часто строят рядом с
крупными реками. Неконденсационные турбины не так сильно охлаждают пар
и используют оставшееся в нем тепло для производства горячей воды в системе, известной
как комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ или когенерация).

Фото: Такие градирни помогают паровой турбине конденсировать пар для извлечения большего количества энергии
в процессе нагревания-охлаждения, известном как цикл Ренкина. Если вы не уверены, зачем нам нужны градирни, ознакомьтесь с книгой Дэвида Маккея «Стоимость энергии тепла», отрывком из его превосходной книги «Устойчивая энергетика: без горячего воздуха». Это башни на электростанции Дидкот недалеко от Оксфорда, Англия.

Фото: Градирни полностью открыты у основания, чтобы впускать огромные потоки воздуха. Я сфотографировал эти башни на электростанции Ratcliffe on Soar недалеко от Ноттингема, Англия.

Практические паровые турбины бывают всех форм и размеров и вырабатывают мощность от
одного-двух мегаватт (примерно столько же, сколько и
одна ветряная турбина) до 1000 мегаватт и более (мощность
большой электростанции, эквивалентная 500–1000 ветряных турбин, работающих на полной мощности).
В самых больших турбинах, на крупных электростанциях, работающих на ископаемом топливе, давление пара может достигать 20–30 МПа (3000–4000 фунтов на квадратный дюйм или примерно в 200–270 раз больше атмосферного давления). Небольшая
паровая турбина мощностью 10 мегаватт примерно такого же размера, как автобус Greyhound
(большой одноэтажный пассажирский автобус).

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Электростанции
• Паровые двигатели
• Турбины
• Ветряные турбины

На других сайтах

• Паровая турбина: лекция Rede 1911 года сэра Чарльза Парсонса. Увлекательная лекция пионера технологии паровых турбин. Включает собственное объяснение Парсонса о том, как работает турбина, с полезными фотографиями и рисунками.

Книги

• Газо- и паротурбинные электростанции комбинированного цикла, Рольф Кельхофер и др. PennWell Books, 2009. Содержит много подробной технической информации о высокоэффективных паровых турбинах электростанций.
• Паровые турбины для современных электростанций на ископаемом топливе, автор Александр Шаулович Лейзерович. Fairmont, 2008. Объясняет важность и историю паровых турбин, затем рассматривает их конструкцию, эксплуатацию и обслуживание. Завершается разделом о способах продления срока службы
  стареющих турбин.
• Паровые турбины: проектирование, применение и переоценка Хайнца П. Блоха и Мурари П. Сингха. McGraw-Hill Professional, 2008. Современный том, предназначенный для инженеров, работающих в энергетической отрасли.
• Практическое руководство по технологии паровых турбин Хайнца П. Блоха. McGraw-Hill Professional, 1996. Объясняет, что такое турбины и их различные типы, прежде чем более подробно рассмотреть различные компоненты турбин (включая корпуса, подшипники, роторы, лопатки, регуляторы и системы управления). В основном предназначено для инженеров электростанций.

Статьи

• Газовые турбины стали лучшим выбором для дополнительной генерации электроэнергии Вацлава Смила. IEEE Spectrum, 21 ноября 2019 г. Почему газовые турбины переживают новую жизнь в эпоху возобновляемых источников энергии?
• Хотите эффективную энергию? Попробуйте турбины на основе углекислого газа Ника Стоктона. Wired, 26 мая 2017 г. Почему использование углекислого газа для производства энергии в турбинах может быть разумнее, чем использование пара.
• Графеновое покрытие может сэкономить миллионы на расходах на электростанции, Декстер Джонсон. IEEE Spectrum, 4 июня 2015 г. По данным исследователей Массачусетского технологического института, конденсаторы с графеновым покрытием могут значительно повысить эффективность электростанции.
• Внутри турбины в Индиан-Пойнт, Эдвард Хадсон. The New York Times, 8 февраля 1981 г. Эта старая (но все еще актуальная) статья из архива Times объясняет, как одна сломанная лопатка паровой турбины вызвала масштабную аварию на атомной электростанции Индиан-Пойнт.

Патенты

Для более подробного технического введения взгляните на некоторые из этих патентов, которые дают иллюстрированные описания реальных паровых турбин. Их буквально сотни, и я включил сюда только несколько, чтобы проиллюстрировать разнообразие различных конструкций:

• Патент США 475,957: Паровая турбина Джорджа Дж. Альтама, выданный 31 мая 1892 года. Старомодная импульсная турбина конца 19 века.
• Патент США 635,919: Устройство для выработки механической энергии, Чарльз Г. Кертис, 31 октября 1899 г. Один из многих патентов на паровые турбины, поданных компанией Кертиса в конце XIX века.
• Патент США 746,388: Паровая турбина Теодора Шеффлера, выданный 8 декабря 1903 года. Я думаю, что это многоступенчатая реактивная турбина.
• Патент США 777,313: Паровая турбина Джона У. Смита, выданный 13 декабря 1904 года. Описывает многоступенчатую импульсную турбину, в которой небольшие ковши приводятся в действие паром из сопла.
• Патент США 4,329,592: Управление паровой турбиной, Джеймс Б. Вагнер, General Electric Company, выдан 11 мая 1982 года. Описывает систему управления паровой турбиной на современной электростанции.
• Патент США 2010/0166548 A1: Лопатка паровой турбины и способ ее изготовления, Акио Саяно и др., Кабушики Кайся Тошиба, выдан 17 декабря 2009 г. В этом патенте довольно подробно описывается конструкция и изготовление лопаток турбины, включая виды композитных материалов, необходимых для выдерживания высоких температур и давлений.