Организация и управление работой Карагандинской ТЭЦ-3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Сокращения и обозначения

Введение

1. Карагандинская ТЭЦ-3

1.1 История предприятия

1.2 Структура ТЭЦ-3

2. Общие сведения о паротурбинных установках

2.1 История создания паровой турбины

2.2 Классификация паровых турбин

2.3 Характеристика основных параметров номинальных значений турбоагрегатов

3. Паротурбинные установки Карагандинской ТЭЦ-3

3.1 Техническая характеристика турбины Т-110/120-130-5

3.2 Конструкция турбины

3.3 Регулирование и защита

3.4 Комплектующее оборудование

4. Тепловой расчет паровой турбины Т-110/120-130-5

4.1 Предварительный расчёт турбины

4.2 Расчет регулирующей ступени

4.3 Предварительный расчет ЦВД

4.4 Расчет первой нерегулируемой ступени

4.5 Расчет последней нерегулируемой ступени

4.6 Определение электрической мощности ЦВД

5. Описание лабораторного стенда

6. Методические указания к выполнению лабораторных работ

6.1 Инструкция по эксплуатации установки «Модель паровой турбины»

6.2 Лабораторная работа №1

6.3 Лабораторная работа №2

6.4 Лабораторная работа №3

6.5 Лабораторная работа №4

7. Охрана труда

7.1 Анализ причин производственного травматизма и профессиональных заболеваний

7.2 Расчет искусственного освещения учебной лаборатории

7.3 Мероприятия по улучшению условий и охраны руда

7.4 Техника безопасности при эксплуатации стенда

8. Промышленная экология

9. Расчет стоимости изготовления учебного стенда

9.1 Расчет стоимости сырья и материалов

9.2 Расчет капитальных затрат на приобретение комплектующих

9.3 Расчет затрат на электроэнергию

9.4 Расчет затрат на отопление

9.5 Расчет затрат на транспорт

9.6 Расчет затрат на заработную плату

9.7 Итоговые затраты на разработку

Заключение

Список использованной литературы

Сокращения и обозначения

турбоагрегат паротурбинный тепловой паровой

ТЭС - тепловая электростанция

ТЭЦ - теплоэлектроцентраль

ПСГ - подогреватель сетевой горизонтальный

ПВД - подогреватель высокого давления

ПНД - подогреватель низкого давления

ЦВД - цилиндр высокого давления

ЦСД - цилиндр среднего давления

ЦНД - цилиндр низкого давления

ГПЗ - главная паровая задвижка

КЭН - конденсатный электрический насос

Введение

Высокие темпы промышленного производства и социального прогресса требуют резкого увеличения выработки электрической и тепловой энергии на базе мощного развития топливно-энергетического комплекса страны.

Вступление человечества в эру высоких технологий и постоянное ускорение темпов научно-технического развития сделало энергетику ведущей отраслью промышленности. Хотя поиск возобновляемых источников энергии продолжается, именно тепловые электростанции, использующие ископаемое топливо, занимают ведущее место по производству электро и теплоэнергии.

Тепловая электростанция (ТЭС) - электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. Первые ТЭС появились в конце 19 в. (в 1882 -- в Нью-Йорке, 1883 -- в Петербурге, 1884 -- в Берлине) и получили преимущественное распространение. В середине 70-х гг. 20 в. ТЭС являлись основным видом электрических станций. Доля вырабатываемой ими электроэнергии составляла: в СССР и США свыше 80% (1975), в мире около 76%.

Среди ТЭС преобладают тепловые паротурбинные электростанции (ТПЭС), на которых тепловая энергия используется в парогенераторе для получения водяного пара высокого давления, приводящего во вращение ротор паровой турбины, соединённый с ротором электрического генератора (обычно синхронного генератора). В СССР на ТПЭС производилось (1975) около 99% электроэнергии, вырабатываемой ТЭС. В качестве топлива на таких ТЭС используют уголь (преимущественно), мазут, природный газ, лигнит, торф, сланцы. Их кпд достигает 40%, мощность - 3 ГВт. В настоящее время в СНГ создаются ТПЭС полной проектной мощностью до 5-6 ГВт.

ТПЭС, имеющие в качестве привода электрогенераторов теплофикационные турбины и использующие тепло отработавшего пара для снабжения тепловой энергией внешних потребителей, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). В нашем городе примером такой станции является Карагандинская ТЭЦ-3.

Основным типом привода электрогенераторов на современной тепловой электростанции, в том числе атомной, является паровая турбина. Паровая турбина обладает большой быстроходностью, отличается сравнительно малыми размерами и массой. Она может быть построена на очень большую мощность (более 1000 МВт), превышающую мощность какой-либо другой машины. Вместе с тем у паровой турбины исключительно хорошие технико-экономические показатели: относительно небольшая удельная стоимость, высокие экономичность, надежность и ресурс работы, составляющий десятки лет. Комплекс паровой турбины и обслуживающего ее вспомогательного оборудования называется паротурбинной установкой, или паротурбинным агрегатом.

Рассмотрим тепловую электростанцию, взяв за основу Карагандинскую электроцентраль №3.

Строительство Карагандинской ТЭЦ-3 началось в 1970 году. Первый турбоагрегат мощностью 110000 кВт с одним котлом БКЗ-420 был принят в эксплуатацию в июне 1977 года, а последний четвертый котел БКЗ-420 введен в эксплуатацию в декабре 1980 года. На этом строительство первой очереди Карагандинской ТЭЦ-3 было закончено. Мощность первой очереди составила 330 мегаватт и 630 Гкал/час. На данный момент на станции эксплуатируются 7 котлоагрегатов марки БКЗ -420-140-5, и 4 турбоагрегата Т-110/120-130.

Карагандинская ТЭЦ-3 расположена в северо-восточной части города Караганды и предназначена для покрытия тепловых нагрузок промышленности и культурно бытового сектора города. ТЭЦ-3 работает на привозном Экибастузском угле, для растопки котлов используют мазут.

Выработка электроэнергии составляет 2200,971 млн. кВт*час. Отпуск с шин составляет 1896,467млн. кВт*час. Коэффициент использования установленной мощности составил 56,7% на период 2003 года. Расход электроэнергии на собственные нужды на производство электроэнергии составил 7,4%. Удельный расход топлива на отпуск электроэнергии составил 297,7 г / кВт. Отпуск тепла составил 3567,768 тыс. ГКал. В том числе обработанным паром 2756,567. Расход электроэнергии на собственные нужды на отпуск тепла, 54,6кВат/ГКал.

Технологическая схема и устройство тепло электростанции. Кусковой уголь поступает в железнодорожных вагонах в разгрузочное устройство, из которого ленточными транспортерами направляется либо на станционный склад, обслуживаемый мостовым краном, либо в дробильную установку, где дробится в куски размером 20-25 миллиметров.

По выходе из дробильной установки уголь ленточными транспортерами направляется в промежуточные угольные емкости - бункера. Из бункеров через питатели-весы уголь поступает в угле размольные мельницы, куда из котельного агрегата подводится горячий воздух (или смесь воздуха с дымовыми газами). Теплота этого потока используется для подсушки размолотого топлива. Полученная в мельнице угольная пыль (порошок) увлекается потоком подаваемого в мельницу воздуха и направляется в промежуточные емкости для угольной пыли (пылевые бункеры). По дороге в пылевые бункеры пылевоздушная смесь проходит через сепаратор пыли, где отделяются крупные недостаточно размолотые частицы, и через пылевой циклон, где угольная пыль отделяется от транспортируемого ее воздуха, который поступает в вентилятор. Из пылевого бункера шнеком через питатели пыли топливо подается в пылеугольные горелки, размещенные в топке котельного агрегата. Нужный для горения воздух засасывается дутьевым вентилятором и нагнетается в топку, предварительно проходя через воздухоподогреватели, размещенные на выходе дымовых газов из котлоагрегата. Образовавшийся в топке при горении топлива дымовые газы, омывают сначала испарительные поверхности нагрева котла, где получается водяной пар, а затем пароперегреватель где температура пара повышается сверх температуры кипения воды до заданной температуры перегрева пара. После пароперегревателя охлажденные дымовые газы до выхода из котлоагрегата дополнительно охлаждаются в водяном экономайзере, служащем для подогрева идущей в котел питательной воды и воздухоподогревателя. По выходе из котлоагрегата дымовые газы проходят через золоулавливающие устройства и затем отсасываются специальными вентиляторами-дымососами, выбрасывающими их через дымовую трубу в атмосферу.

Образовавшиеся при горении топлива очаговые остатки - зола и шлак забираются из топки и золоуловителей в специальные каналы золоудаления, из которых затем смываются водой. Полученная золошлаковадяная смесь специальными насосами перекачивается по золопроводам на шлаковые отвалы, расположенные за пределами станции. Полученный в котлоагрегате перегретый пар по паропроводам направляется в паровую турбину, с которой непосредственно соединен электрогенератор. Паропроводы служат для вторичного перегрева пара. Пар из турбины поступает в конденсаторы.

Нужная для конденсации пара охлаждающая вода забирается из водоема насосами водоснабжения, размещенные в насосной с очистительными устройствами. Нагнетаемая этими насосами сырая вода по трубам подводится к конденсатору, откуда через сливные трубопроводы возвращается обратно в водоем. Образовавшийся в конденсаторе конденсат конденсатными насосами через подогреватели направляется в деаэратор, служащий для удаления из питательной воды растворенного в ней кислорода. Из деаэратора питательная вода питательными насосами нагнетается через подогреватель и питательные магистрали в экономайзер. Необходимая для восполнения потерь теплоносителя добавочная вода забирается из тракта сырой воды и после перехода через специальные водоумягчительные установки подается к деаэратору. Отбираемый из турбины для теплового потребления пар по специальному паропроводу подводится к подогревательной установке, где используется для подогрева поступающей от потребителя обратной воды. Для удобства обслуживания в турбинном и котельном цехах предусмотрены мостовые краны.

Управление работой всей станции сосредоточено в центральном щите управления. Энергия потребителям идет через повышающие трансформаторы. Энергия собственных нужд получается от распределительного устройства.

1. Карагандинская ТЭЦ-3

1.1 История предприятия

В 1997 г. в результате реализации решения Президента и Правительства о привлечении инвесторов в энергетическую отрасль Казахстана после проведения открытого тендера Карагандинская ТЭЦ-1, ТЭЦ-3 и Карагандинские тепловые сети перешли в частную собственность - ENHRO ST LTD компании «Ормат Индастриз».

В 2002 году в энергетический комплекс Караганды пришел казахстанский инвестор - АО «Корпорация «Ордабасы».

На сегодняшний день ТОО "Караганды Жылу" находится под управлением АО "Казахстанские Коммунальные Системы".

Основным направлением деятельности энергетической компании, естественного монополиста на рынке предоставления коммунальных услуг, ТОО "Караганды Жылу" является бесперебойное и качественное производство электро- и теплоэнергии и поставка этих товаров карагандинским потребителям. В компании проведен ряд мероприятий, которые позволили привести оборудование станций к проектной мощности и уменьшению потерь во всех подразделениях предприятий.

В состав комплекса ТОО "Караганды Жылу" входит старейшая станция региона - Карагандинская ТЭЦ-1, (общая проектная электрическая мощность 32 МВт и тепловая мощность 460 ГКал/ч).

Карагандинская ТЭЦ-3 является одним из главных подразделений энергетического предприятия, в июне 2002 г. станция отметила 25-летний юбилей.

На станции эксплуатируется 7 котлов марки БКЗ-420-140-5 и 4 турбоагрегата Т-110-130.

Важным звеном энергетического комплекса являются Карагандинские тепловые сети, включающие 110 км магистральных и 319 км распределительных тепловых сетей; 12 магистральных и 46 распределительных насосных станций. С момента перехода компании в частную собственность заменена одна треть всех теплосетей.

Создание компьютерной системы выставления счетов потребителям, планомерная и целенаправленная работа по взысканию задолженности и убеждению потребителей в необходимости регулярной оплаты счетов позволило стабилизировать поступление средств.

В 2009 году ТОО «Караганды Жылу» было переименовано в ТОО «Караганда Энергоцентр»

ТОО «Караганда Энергоцентр» считает себя частью города и общества, в котором осуществляет свой бизнес, поэтому компания принимает активное участие в жизни Караганды, оказывает благотворительную и спонсорскую помощь, и любое заметное мероприятие, будь то городской праздник, спортивные состязания, акции по благоустройству города, не обходятся без активного участия компании и её сотрудников.

С переходом на новые рыночные отношения традиции в коллективе компании не только укрепились, но и приумножились. Кроме заботы руководства о трудовых буднях почти трехтысячного коллектива ТОО «Караганда Энергоцентр», не остаются без внимания здоровье сотрудников и членов их семей, досуг. В соответствии с коллективным договором, подписанным в 2000 году, осуществляется бесплатное медицинское обслуживание, проводятся спартакиады, материальная поддержка ветеранов и оздоровление детей работников компании в летних лагерях.

1.2 Структура ТЭЦ-3

Применительно к рассмотренной во введении рабочей схеме технологического процесса на тепловой электростанции обычно имеются следующие основные и вспомогательные цеха:

1) топливно-транспортный цех, включающий обслуживание складов топлива и разгрузочных устройств, транспортные и разгрузочно-погрузочные устройства на территории станции. Так же он занимается обслуживанием механизмов подачи топлива со складов в котельную (включая дробление и отбор проб);

2) котельный цех - для обслуживания оборудования котельных агрегатов, пылеприготовления, мазутного хозяйства котельной, золоулавливания, золоудаления и тягово - дутьевых механизмов (дутьевые вентиляторы и дымососы);

3) турбинный цех - для обслуживания турбинной установки, включая конденсатор и подогреватели так же вспомогательное оборудование (конденсаторных, центральных и прочих насосов).

4) ЦТАИ - для обслуживания тепло измерительных приборов и автоматики тепловых процессов;

5) электрический цех - ля обслуживания электрических генераторов и всего электрического оборудования станции с электроизмерительными приборами, релейной защитой, с электротехнической лабораторией и электроремонтной мастерской.

6) химический цех, связанный с оборудованием для подготовки и умягчения добавочной воды, с химической и топливно-аналитической лабораториями;

7) ремонтно-строительный цех, занимающийся вопросами ремонта и строительного надзора за зданиями и прочими строительными и дорожными сооружениями станции;

8) гараж, в ведомстве которого находится весь транспорт станции.

На ТЭЦ для производства тепловой и электрической энергии задействовано следующее энергетическое оборудование.

Турбоагрегаты:

ст. № 1 т -110/120-130 изготовлен в 1976 году;

ст. № 2 т -110/120-130 изготовлен в 1977 году;

ст. № 3 т -110/120-130 изготовлен в 1978 году;

ст. № 4 т -110/120-130 изготовлен в 1988 году.

Единичная электрическая мощность 110 МВ.

Единичная тепловая мощность 175 Гкал/час.

Максимальный расход пара 485 т/час.

Котлы:

ст. № 1 БКЗ -420-140-5 изготовлен в 1976 году;

ст. № 2 БКЗ -420-140-5 изготовлен в 1977 году;

ст. № 3 БКЗ -420-140-5 изготовлен в 1978 году;

ст. № 4 БКЗ -420-140-5 изготовлен в 1980 году;

ст. № 5 БКЗ -420-140-5 изготовлен в 1986 году;

ст. № 6 БКЗ -420-140-5 изготовлен в 1988 году;

ст. № 7 БКЗ -420-140-5 изготовлен в 1989 году.

Номинальная, максимальная производительность, 420 - тонн/час 250 - Гкал/час.

Шлакоудаление -шнековое с гидрозатвором.

Температура пара 560 градусов, давление острого пара 135 ата.

Проектное топливо - экибастузскии уголь.

Паропроводы - общестанционные, главные паропроводы котлов и турбин, растопочных котлов:

а) общестанционный коллектор предназначен для перераспределения пара на различные блоки, разделен секционирующеми задвижками на семь секций. Изготовлен из бесшовных горячих катанных труб с наружным диаметром 337 мм и толщиной стенки 45/50 мм;

б) главный паропровод котлов предназначен для транспортировки пара от паросборной камеры котла к коллектору. Изготовлен из бесшовных горячекатанных труб с наружным диаметром 273 мм и 377 мм, толщиной стенки 32/36 мм и 45/50 мм, из стали марок 12Х1МФ и 15Х1М1Ф;

в) главный паропровод турбин изготовлен из труб диаметром 377 мм и толщиной стенки 45/50 мм;

г) растопочный паропровод котлов предназначен для транспортировки пара на растопочные РОУв период пуска и прогрева паропровода котла. Изготовлен из труб диаметром 219 мм и 133 мм, толщиной 25/32 мм и 16 мм.

2. Общие сведения о паротурбинных установках

Паротурбинная установка - это непрерывно действующий тепловой агрегат, рабочим телом которого является вода и водяной пар. Паровая турбина является силовым двигателем, в котором потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а кинетическая в свою очередь преобразуется в механическую энергию вращения ротора. Ротор турбины непосредственно или при помощи зубчатой передачи соединяется с рабочей машиной. В зависимости от назначения рабочей машины паровая турбина может быть применена в самых различных областях промышленности: в энергетике, на транспорте, в морском и речном судоходстве и т.д. Включает в себя паровую турбину и вспомогательное оборудование.

2.1 История создания паровой турбины

В основе действия паровой турбины лежат два принципа создания окружного усилия на роторе, известные с давних времен, - реактивный и активный. Еще в 130 г. до н.э. Герон Александрийский изобрел устройство под названием "эолипил". В соответствии с рисунком 2.1 оно представляло собой наполнявшуюся паром полую сферу с двумя Г-образными соплами, расположенными с противоположных сторон и направленными в разные стороны. Пар вытекал из сопел с большой скоростью, и за счет возникающих сил реакции сфера вращалась.

Второй принцип основан на преобразовании потенциальной энергии пара в кинетическую. Его можно проиллюстрировать на примере машины Джованни Бранки, построенной в 1629 г и изображенной на рисунке 2.2. В этой машине струя пара приводила в движение колесо с лопатками, напоминающее колесо водяной мельницы.

В паровой турбине используются оба указанных принципа. Струя пара под высоким давлением направляется на криволинейные лопатки, закрепленные на дисках. При обтекании лопаток струя отклоняется, и диск с лопатками начинает вращаться. Двигаясь между лопатками в расширяющемся канале (ведь толщина лопаток по мере приближения к хвостовику уменьшается), пар расширяется и ускоряется. В соответствии с законами сохранения энергии и импульса на колесо турбины действует сила, раскручивающая его. В результате энергия давления (потенциальная энергия) пара преобразуется в кинетическую энергию вращения турбины.

Первые турбины, подобные машине Бранки, обладали ограниченной мощностью, поскольку паровые котлы не были способны создавать высокое давление. Как только появилась возможность получать пар высокого давления, изобретатели вновь обратились к турбине. В 1815 г. инженер Ричард Тревитик установил два сопла на ободе колеса паровоза и пропустил через них пар. На сходном принципе было основано устройство лесопильной машины, построенной в 1837 г. американцем Уильямом Эйвери. В одной лишь Англии за 20 лет, с 1864 по 1884 г., было запатентовано более сотни изобретений, так или иначе относящихся к турбинам. Но ни одна из этих попыток не завершилась созданием пригодной для промышленности машины.

Частично эти неудачи объяснялись непониманием физики расширения пара. Дело в том, что плотность пара намного меньше плотности воды, а его "упругость" намного превосходит упругость жидкости, поэтому скорость струи пара в паровых турбинах получается гораздо большей, чем скорость воды в водяных турбинах. Экспериментально было установлено, что к.п.д. турбины достигает максимума тогда, когда окружная скорость лопаток равна приблизительно половине скорости струи пара. Именно по этой причине первые турбины имели очень высокие скорости вращения.

Но большая частота вращения нередко приводила к разрушению вращающихся частей турбины из-за действия центробежных сил. Уменьшения угловой скорости при сохранении окружной скорости можно было бы добиться путем увеличения диаметра диска, на котором крепились лопатки. Однако реализовать эту идею было затруднительно, так как количества вырабатываемого пара высокого давления недоставало для машины большого размера. В связи с этим первые опытные турбины имели небольшой диаметр и короткие лопатки.

Другая проблема, связанная со свойствами пара, доставляла еще больше трудностей. Скорость пара, вырывающегося из сопла, пропорциональна отношению давлений на входе и выходе сопла и достигает максимального значения при отношении давлений, приблизительно равном двум. Дальнейшее повышение перепада давления уже не ведет к увеличению скорости струи. Таким образом, конструкторы не могли в полной мере использовать возможности пара с высоким давлением при использовании сопла с постоянным или суживающимся каналом.

В 1889 г. шведский инженер Карл Густав де Лаваль применил сопло, расширяющееся на выходе. Такое сопло позволило получить гораздо большую скорость пара, и вследствие этого скорость вращения ротора турбины также существенно увеличилась.

На рисунке 2.4 изображена паровая турбина Лаваля. В ней пар поступает к соплу, приобретает в нем значительную скорость и направляется в рабочие лопатки, расположенные на ободе диска турбины. При повороте струи пара в каналах рабочих лопаток возникают силы, раскручивающие диск и связанный с ним вал турбины. Для получения необходимой мощности на одноступенчатой турбине необходимы очень высокие скорости потока пара. Меняя конфигурацию расширяющегося сопла, удалось получить значительную степень расширения пара и, соответственно, высокую скорость (1200…1500 м/с) истечения пара.

Для лучшего использования больших скоростей пара Лаваль разработал такую конструкцию диска, которая выдерживала окружные скорости до 350 м/с, а частота вращения у некоторых турбин достигала 32000 мин^-1.

Турбины, у которых весь процесс расширения пара и связанного с ним ускорения парового потока происходит в соплах, получили название активных. К таким устройствам, в частности, можно отнести и турбину Бранки.

В дальнейшем совершенствование активных паровых турбин пошло по пути использования последовательного расширения пара в нескольких ступенях, расположенных друг за другом. В таких турбинах, разработанных в конце прошлого столетия французским ученым Рато и усовершенствованных конструктором Целли, ряд дисков, укрепленных на общем валу, разделен перегородками. В этих перегородках устраивались профилированные отверстия - сопла. На каждой из построенных таким образом ступеней срабатывается часть энергии пара. Преобразование кинетической энергии парового потока происходит без дополнительного расширения пара в каналах рабочих лопаток. Активные многоступенчатые турбины получили широкое распространение в стационарных установках, а также в качестве судовых двигателей.

Наряду с турбинами, в которых поток пара движется приблизительно параллельно оси вала турбины и которые называются аксиальными турбинами, были созданы так называемые радиальные турбины, в которых пар течет в плоскости, перпендикулярной оси турбины. Среди этого типа турбин наибольший интерес представляет турбина братьев Юнгстрем, предложенная в 1912 г.

Устройство турбины представлено на рисунке 2.5. На боковых поверхностях дисков кольцами постепенно возрастающего диаметра располагаются лопатки реактивных ступеней. Пар в турбину подводится по трубам и далее через отверстия в дисках направляется к центральной камере. Из нее пар течет к периферии через каналы лопаток, укрепленных на дисках. В отличие от обычной турбины, в конструкции братьев Юнгстрем нет неподвижных сопел или направляющих лопаток. Оба диска вращаются во встречных направлениях, поэтому мощность, развиваемая турбиной, передается на два вала. Турбина описанной конструкции получилась весьма компактной.

И все же, несмотря на ряд новых конструктивных решений, примененных в одноступенчатых активных турбинах, их экономичность была невысока. Кроме того, необходимость редукторной передачи для уменьшения частоты вращения ведущего вала электрогенератора тормозила распространение одноступенчатых турбин. Поэтому турбины Лаваля, на раннем этапе турбостроения широко применявшиеся в качестве агрегатов небольшой мощности (до 500 кВт), в дальнейшем уступили место турбинам других типов.

Парсонс создал турбину принципиально новой конструкции. Она отличалась меньшей частотой вращения, и в то же время в ней максимально использовалась энергия пара. Дело в том, что в турбине Парсонса пар расширялся постепенно по мере прохождения через 15 ступеней, каждая из которых представляла собой два венца лопаток: один - неподвижный (с направляющими лопатками, закрепленными на корпусе турбины), другой - подвижный (с рабочими лопатками на диске, закрепленном на вращающемся валу). Плоскости лопаток неподвижных и подвижных венцов были взаимно перпендикулярны.

Пар, направляемый на неподвижные лопатки, расширялся в междулопаточных каналах, скорость его увеличивалась, и он, попадая на подвижные лопатки, заставлял их вращаться. В межлопаточных каналах подвижных лопаток пар дополнительно расширялся, скорость струи возрастала, и возникавшая реактивная сила толкала лопатки.

Благодаря внедрению подвижных и неподвижных венцов лопаток высокая скорость вращения стала ненужной. На каждом из тридцати венцов многоступенчатой турбины Парсонса пар расширялся незначительно, теряя некоторую долю своей кинетической энергии. На каждой ступени (паре венцов) давление падало лишь на 10 %. Ступенчатое расширение пара, лежащее в основе конструкций современных турбин, было лишь одной из многих оригинальных идей, воплощенных Парсонсом.

Другой плодотворной идеей была организация подвода пара к средней части вала. Здесь поток пара разделялся и шел по двум направлениям к левому и правому концу вала. Расход пара в обоих направлениях был одинаковым. Одно из преимуществ, которое давало разделение потока, заключалось в том, что продольные (осевые) силы, возникавшие из-за давления пара на лопатки турбины, уравновешивались. Таким образом, отпадала необходимость в упорном подшипнике. Описанная конструкция используется во многих современных паровых турбинах.

И все-таки первая многоступенчатая турбина Парсонса имела слишком большую частоту вращения - 18000 мин^-1. Центробежная сила, действовавшая на лопатки турбины, в 13 тысяч раз превышала силу тяжести. Для того, чтобы уменьшить опасность разрушения вращающихся частей, Парсонс предложил простое решение. Каждый диск изготовлялся из цельного медного кольца, а пазы, в которые входили лопатки, располагались по окружности диска и представляли собой щели, ориентированные под углом 45°. Подвижные диски насаживались на вал и фиксировались на его выступе. Неподвижные венцы состояли из двух полуколец, которые прикреплялись сверху и снизу к корпусу турбины. Лопатки турбины Парсонса были плоскими. Для компенсации уменьшения скорости потока пара по мере его движения к последним ступеням в первой машине Парсонса были реализованы два технических решения: ступенчато наращивался диаметр диска и увеличивалась длина лопаток от 5 до 7 мм. Кромки лопаток были скошены, чтобы улучшить условия обтекания струей.

Парсонс был младшим сыном в семье, получившей во владение землю в Ирландии. Его отец, граф Росс, был талантливым ученым. Он внес большой вклад в технологию отливки и шлифовки больших зеркал для телескопов.

Парсонсы не отдавали своих детей в школу. Их учителями были астрономы, которых граф приглашал для ночных наблюдений с помощью телескопов; в дневное время эти ученые обучали детей. Всячески поощрялись и занятия детей в домашних мастерских.

Чарлз поступил в Тринити-колледж в Дублине, а затем перешел в Сент-Джонс - колледж Кембриджского университета, который окончил в 1877 г.

Поворот в судьбе Парсонса произошел, когда он стал учеником Джорджа Армстронга, известного фабриканта корабельных орудий, и начал работать на его Элсуикской фабрике в г. Ньюкаслапон-Тайне. Причины, которые побудили Парсонса принять такое решение, остались неизвестными: в то время дети из богатых семей редко избирали карьеру инженера. Парсонс завоевал репутацию самого трудолюбивого ученика Армстронга. В период стажировки он получил разрешение работать на самой последней новинке - паровой машине с вращающимися цилиндрами - и между 1877 и 1882 гг. запатентовал несколько своих изобретений.

Первые опыты с турбинами Парсонс начал проводить, работая у Армстронга. С 1881 по 1883 г., т.е. сразу после стажировки, он работал над созданием торпеды, приводимой в движение газом. Особенность движителя торпеды состояла в том, что сгорающее топливо создавало струю газа высокого давления. Струя ударялась в крыльчатку, заставляя ее вращаться. Крыльчатка, в свою очередь, приводила во вращение гребной винт торпеды.

Работы над газовыми турбинами Парсонс прекратил в 1883 г., хотя в его патенте 1884 г. описан современный цикл работы такой турбины. Впоследствии он дал этому объяснение. "Опыты, проводимые много лет назад, - писал он, - и частично имевшие целью удостовериться в реальности газовой турбины, убедили меня в том, что с теми металлами, которые имелись в нашем распоряжении... было бы ошибкой использовать для приведения лопаток во вращение раскаленную струю газов - в чистом ли виде, или в смеси с водой или паром". Это было прозорливое замечание: лишь спустя десять лет после смерти Парсонса появились металлы, обладавшие необходимыми качествами.

В апреле 1884 г. он оформил два предварительных патента, а в октябре и ноябре того же года дал полное описание изобретения. Для Парсонса это был невероятно продуктивный период. Он решил создать и динамо-машину, работающую от турбины на высоких скоростях, которые доступны немногим из современных электрических машин. Впоследствии Парсонс часто повторял, что это изобретение так же важно, как и создание самой турбины. До сегодняшних дней основным применением паровой турбины остается приведение в движение электрических генераторов.

В ноябре 1884 г., когда был создан первый образец турбины, достопочтенному Чарлзу А. Парсонсу было всего 30 лет. Инженерный гений и чутье на потребности рынка сами по себе были недостаточным условием для того, чтобы его детище благополучно вступило в жизнь. На ряде этапов Парсонс должен был вкладывать свои собственные средства, для того чтобы проделанная работа не пропала даром. Во время судебного разбирательства в 1898 г., затеянного с целью продлить срок действия некоторых его патентов, было установлено, что на создание турбины Парсонс израсходовал личных денег в сумме 1107 фунтов 13 шиллингов и 10 пенсов.

2.2 Классификация паровых турбин

Все многообразие современных паровых турбин можно классифицировать по 8 основным признакам:

1) по использованию в промышленности;

2) по числу ступеней;

3) по направлению потока пара;

4) по числу корпусов (цилиндров);

5) по принципу парораспределения;

6) по принципу действий пара;

7) по характеру теплового процесса;

8) по параметрам свежего пара.

В зависимости от конструктивных особенностей, характера теплового процесса, параметров свежего и отработавшего пара и использования в промышленности существуют различные признаки классификации паровых турбин.

1. По использованию в промышленности все турбины делятся на:

а) транспортные турбины - турбины нестационарного типа с переменным числом оборотов; турбины этого типа применяются для привода гребных винтов крупных судов (судовые турбины) и на железнодорожном транспорте (турболокомотивы);

б) стационарные паровые турбины - это турбины, сохраняющие при эксплуатации неизменным свое местоположение. Стационарные турбины в свою очередь подразделяются на:

1) энергетические турбины - турбины стационарного типа с постоянным числом оборотов, предназначенные для привода электрических генераторов, включенных в энергосистему, и отпуска теплоты крупным потребителям, например (жилым районам, городам и т.д.). Их устанавливают на крупных ГРЭС, АЭС и ТЭЦ; Энергетические турбины характеризуются прежде всего большой мощностью, а их режим работы - практически постоянной частотой вращения. Подавляющее большинство энергетических турбин выполняют на номинальную частоту вращения 3000 1/мин. Их называют быстроходными. Для АЭС некоторые турбины выполняют тихоходными - на частоту вращения 1500 1/мин.

2) промышленные и вспомогательные турбины - турбины стационарного типа с переменным числом оборотов. Промышленные турбины служат для производства теплоты и электрической энергии, однако их главной целью является обслуживание промышленного предприятия, например металлургического, текстильного, химического и т.д. Часто чаткие турбины работают на мальмощную индивидуальную электрическую сеть, а иногда используются для привода агрегатов с переменной частотой вращения, например воздуходувок доменных печей. Мощность промышленных турбин существенно меньше, чем энергетических.

Вспомогательные турбины используются для обеспечения технологического процесса производства электроэнергии - обычно для привода питательных насосов, вентиляторов, воздуходувок котла и т.д.

2. По числу ступеней:

а) одноступенчатые турбины - с одной или несколькими ступенями скорости; эти турбины (обычно небольшой мощности) применяются главным образом для привода центробежных насосов, вентиляторов и других аналогичных механизмов;

б) многоступенчатые турбины активного и реактивного типов малой, средней и большой мощности.

3. По направлению потока пара:

а) осевые турбины, в которых поток пара движется вдоль оси турбины;

б) радиальные турбины, в которых поток пара движется в плоскости, перпендикулярной оси вращения турбины; иногда одна или несколько последних ступеней мощных радиальных конденсационных турбин выполняются осевыми. Радиальные турбины в свою очередь подразделяются на имеющие неподвижные направляющие лопатки и на имеющие только вращающиеся рабочие лопатки.

4. По числу корпусов (цилиндров):

а) однокорпусные (одноцилиндровые);

б) двухкорпусные (двухцилиндровые);

в) многокорпусные (многоцилиндровые).

Большинство турбин выполняют многоцилиндровыми. Это позволяет получить более высокую мощность в одном агрегате, что удешевляет и турбину и электростанцию. Наибольшее число цилиндров, из которых состоит современная турбина - 5.

Многоцилиндровые турбины, у которых валы отдельных корпусов составляют продолжение один другого и присоединены к одному генератору, называются одновальными; турбины с параллельным расположением валов называются многовальными. В последнем случае каждый вал имеет свой генератор.

5. По принципу парораспределения:

а) турбины с дроссельным парораспределением, у которых свежий пар поступает через один или несколько одновременно (в зависимости от развиваемой мощности) открывающихся клапанов, в настоящий момент не находят применения;

б) турбины с сопловым парораспределением, у которых свежий пар поступает через два или несколько последовательно открывающихся регулирующих клапанов;

в) турбины с обводным парораспределением, у которых, кроме подвода свежего пара к соплам первой ступени, имеется подвод свежего пара к одной, двум или даже трем промежуточным ступеням (устаревшие турбины).

6. По принципу действий пара:

а) активные турбины, в которых потенциальная энергия пара превращается в кинетическую в каналах между неподвижными лопатками или в соплах, а на рабочих лопатках кинетическая энергия пара превращается в механическую работу; в применении к современным активным турбинам это понятие несколько условно, так как они работают с некоторой степенью реакции на рабочих лопатках, возрастающей от ступени к ступени по направлению хода пара, особенно в конденсационных турбинах. Турбины активного типа выполняются только осевыми;

б) реактивные турбины, в которых расширение пара в направляющих и рабочих каналах каждой ступени происходит примерно в одинаковой степени. Эти турбины могут быть как осевыми, так и радиальными, а последние в свою очередь могут исполняться как с неподвижными направляющими лопатками, так и с только вращающимися рабочими лопатками.

7. По характеру теплового процесса:

а) конденсационные турбины с регенерацией; в этих турбинах основной поток пара при давлении ниже атмосферного направляется в конденсатор. Так как скрытая теплота парообразования, выделяющаяся при конденсации отработавшего пара, у данного типа турбин полностью теряется, то для уменьшения этой потери из промежуточных ступеней турбины осуществляется частичный, нерегулируемый по давлению отбор 1 пара для подогрева питательной воды; количество таких отборов бывает от 2--3 до 8--9. Главное назначение конденсационных турбин - обеспечивать производство электроэнергии, поэтому они являются основными агрегатами мощных ТЭС и АЭС (мощность крупных конденсационных турбоагрегатов достигает 1000-1200 МВт).

Схема работы конденсационной турбины приведена на рисунке 2.6. Свежий (острый) пар из котельного агрегата (1) по паропроводу (2) попадает на рабочие лопатки паровой турбины (3). При расширении, кинетическая энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора турбины, который расположен на одном валу (4) с электрическим генератором (5). Отработанный пар из турбины направляется в конденсатор (6), в котором, охладившись до состояния воды путём теплообмена с циркуляционной водой (7) пруда-охладителя, градирни или водохранилища по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса (9). Большая часть полученной энергии используется для генерации электрического тока.

Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Конденсационные турбины бывают стационарными и транспортными.

Стационарные турбины изготавливаются на одном валу с генераторами переменного тока. Такие агрегаты называют турбогенераторами. Тепловые электростанции, на которых установлены конденсационные турбины, называются конденсационными электрическими станциями (КЭС). Основной конечный продукт таких электростанций -- электроэнергия. Лишь небольшая часть тепловой энергии используется на собственные нужды электростанции и, иногда, для снабжения теплом близлежащего населённого пункта. Обычно это посёлок энергетиков. Доказано, что чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее, и тем ниже стоимость 1 кВт установленной мощности. Поэтому на конденсационных электростанциях устанавливаются турбогенераторы повышенной мощности.

Частота вращения ротора стационарного турбогенератора связана с частотой электрического тока 50 Герц. То есть на двухполюсных генераторах - 3000 оборотов в минуту, на четырехполюсных, соответственно, 1500 оборотов в минуту. Частота электрического тока вырабатываемой энергии является одним из главных показателей качества отпускаемой электроэнергии. Современные технологии позволяют поддерживать частоту вращения с точностью до трёх оборотов. Резкое падение электрической частоты влечёт за собой отключение от сети и аварийный останов энергоблока, в котором наблюдается подобный сбой.

В зависимости от назначения паровые турбины электростанций могут быть базовыми, несущими постоянную основную нагрузку; пиковыми, кратковременно работающими для покрытия пиков нагрузки; турбинами собственных нужд, удовлетворяющими потребность электростанции в электроэнергии. От базовых требуется высокая экономичность на нагрузках, близких к полной (около 80 %), от пиковых -- возможность быстрого пуска и включения в работу, от турбин собственных нужд -- особая надёжность в работе. Все паровые турбины для электростанций рассчитываются на 100 тыс. часов работы (до капитального ремонта).

Транспортные паровые турбины используются в качестве главных и вспомогательных двигателей на кораблях и судах. Неоднократно делались попытки применить паровые турбины на локомотивах, однако паротурбовозы распространения не получили. Для соединения быстроходных турбин с гребными винтами, требующими небольшой (от 100 до 500 об/мин) частоты вращения, применяют зубчатые редукторы. В отличие от стационарных турбин (кроме турбовоздуходувок), судовые работают с переменной частотой вращения, определяемой необходимой скоростью хода судна.

б) теплофикационные турбины с одним или двумя регулируемыми (по давлению) отборами пара из промежуточных ступеней для производственных и отопительных целей при частичном пропуске пара в конденсатор. Они предназначены для выработки теплоты и электрической энергии. Турбина может иметь отопительный отбор для отопления зданий, предприятий и т.д., производственный отбор для технологических нужд промышленных предприятий а также и тот и другой отбор. Отбор пара - количество пара, которое отдается турбиной для внешнего теплового потребления, т.е. сверх расхода на регенеративный подогрев питательной воды.

Схема работы теплофикационной турбины приведена на рисунке 2.7. Свежий (острый) пар из котельного агрегата (1) по паропроводу (2) направляется на рабочие лопатки цилиндра высокого давления (ЦВД) паровой турбины (3). При расширении, кинетическая энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины, который соединен с валом (4) электрического генератора (5). В процессе расширения пара из цилиндров среднего давления производятся теплофикационные отборы и из них пар направляется в подогреватели (6) сетевой воды (7). Отработанный пар из последней ступени попадает в конденсатор, где и происходит его конденсация, а затем по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса (9). Большая часть тепла, полученного в котле используется для подогрева сетевой воды.

Теплофикационные паровые турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. Но основной конечный продукт таких турбин - тепло. Тепловые электростанции, на которых установлены теплофикационные паровые турбины, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). К теплофикационным паровым турбинам относятся турбины с противодавлением, с регулируемым отбором пара, а также с отбором и противодавлением.

У турбин с противодавлением весь отработавший пар используется для технологических целей (варка, сушка, отопление). Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой паровой турбиной, зависит от потребности производства или отопительной системы в греющем паре и меняется вместе с ней. Поэтому турбоагрегат с противодавлением обычно работает параллельно с конденсационной турбиной или электросетью, которые покрывают возникающий дефицит в электроэнергии.

В турбинах с регулируемым отбором часть пара отводится из 1 или 2 промежуточных ступеней, а остальной пар идёт в конденсатор. Давление отбираемого пара поддерживается в заданных пределах системой регулирования. Место отбора (ступень турбины) выбирают в зависимости от нужных параметров пара.

У турбин с отбором и противодавлением часть пара отводится из 1 или 2 промежуточных ступеней, а весь отработавший пар направляется из выпускного патрубка в отопительную систему или к сетевым подогревателям.

в) турбины с противодавлением, тепло отработавшего пара которых используется для отопительных или производственных целей. В ней пар из последней ступени направляется не в конденсатор, а обычно производственному потребителю. К этому типу турбин, хотя и несколько условно, можно отнести также и турбины с ухудшенным вакуумом, у которых тепло отработавшего пара может использоваться для отопления, горячего водоразбора или технологических целей;

г) предвключенные турбины (это также турбины с противодавлением), но их отработавший пар используется для работы в турбинах среднего давления. Такие турбины обычно работают при высоких параметрах свежего пара и применяются при надстройке электростанций средних параметров с целью повышения экономичности их работы. Под надстройкой электростанции понимают установку на ней котлов высокого, сверхвысокого и сверхкритического давлений и предвключенных турбин в качестве блока высокого давления на базе существующей станции среднего давления;

д) турбины с противодавлением и регулируемым по давлению отбором пара из промежуточной ступени. Таким образом, главным назначением такой турбины является производство пара заданного давления (в пределах 0,3-3 МПа);

е) турбины мятого пара, использующие для выработки электроэнергии отработавший пар молотов, прессов и паровых поршневых машин;

ж) турбины двух и трех давлений с подводом отработавшего пара различных давлений к промежуточным ступеням турбины.

Турбины, перечисленные в п. «б»--«д», кроме регулируемых отборов пара, обычно имеют нерегулируемые отборы для регенерации.

По ГОСТ 3618-82 приняты следующие обозначения турбин. Первая буква характеризует тип турбины;

К -- конденсационная;

Т -- теплофикационная с отопительным отбором пара;

П -- теплофикационная с производственным отбором пара для промышленного потребителя;

ПТ -- теплофикационная с производственным и отопительным регулируемыми отборами пара;

Р -- с противодавлением;

ПР -- теплофикационная с производственным отбором и противодавлением;

ТР -- теплофикационная с отопительным отбором и противодавлением;

ТК -- теплофикационная с отопительным отбором и большой конденсационной мощностью;

КТ -- теплофикационная с отопительными отборами нерегулируемого давления.

После буквы в обозначении указываются мощность турбины, МВт (если дробь, то в числителе номинальная, а в знаменателе максимальная мощность), а затем начальное давление пара перед стопорным клапаном турбины, МПа (кгс/см2 в старых обозначениях). Под чертой для турбин типов П, ПТ, Р и ПР указывается номинальное давление производственного отбора или противодавление, МПа (кгс/см2).

8. По параметрам свежего пара:

а) турбины среднего давления, работающие на свежем паре с давлением 34,3 бар и температурой 435°С;

б) турбины повышенного давления, работающие на свежем паре с давлением 88 бар и температурой 535°С;

в) турбины высокого давления, работающие на свежем паре с давлением 127,5 бар и температурой 565°С, с промежуточным перегревом пара до температуры 565°С;

г) турбины сверхкритических параметров, работающие на свежем паре с давлением 235,5 бар и температурой 560°С с промежуточным перегревом пара до температуры 565°С.

2.3 Характеристика основных параметров номинальных значений турбоагрегатов

Номинальная мощность турбины - наибольшая мощность, которую турбина должна длительно развивать на зажимах электрогенератора, при нормальных величинах основных параметров или при изменении их в пределах, оговоренных отраслевыми и государственными стандартами. Турбина с регулируемым отбором пара может развивать мощность выше номинальной, если это соответствует условиям прочности её деталей.

Экономическая мощность турбины - мощность, при которой турбина работает с наибольшей экономичностью. В зависимости от параметров свежего пара и назначения турбины номинальная мощность может быть равна экономической или более её на 10-25%.

Номинальная температура регенеративного подогрева питательной воды - температура питательной воды за последним по ходу воды подогревателем.

Номинальная температура охлаждающей воды - температура охлаждающей воды при входе в конденсатор.

3. Паротурбинные установки Карагандинской ТЭЦ-3

На Карагандинской ТЭЦ-3 установлено 4 турбоагрегата Т-110-130.

Теплофикационная паровая турбина с отопительным отбором пара Т-110/120-130-5 производственного объединения «Турбомоторный завод» (ПО ТМЗ) номинальной мощностью 110 МВт с начальным давлением пара 12,8 МПа предназначена для непосредственного привода электрического генератора ТВФ-120-2 с частотой вращения ротора 50 с^-1 и отпуска тепла для нужд отопления.

3.1 Техническая характеристика турбины Т-110/120-130-5

Турбина Т-110/120-130-5 соответствует требованиям ГОСТ 3618-85, ГОСТ 24278-85 и ГОСТ 26948-86. Номинальные параметры турбоустановки приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Номинальные значения основных параметров турбины Т-110/120-130

1. Мощность, МВт
номинальная	100
максимальная	200
2. Начальные параметры пара:
давление, МПа	12,8
температура, оС	555
3. Тепловая нагрузка, ГДж/ч (МВт)	732 (203)
4. Расход свежего пара, т/ч
номинальный	441
максимальный	460
5. Пределы изменения давления пара в регулируемых отопительных отборах пара, МПа
в верхнем	0,06-0,25
в нижнем	0,05-0,2
6. Температура воды, оС
питательной	229
охлаждающей	20
7. расход охлаждающей воды, м3/ч	16000
8. Давление пара в конденсаторе, кПа	5,3

Турбина имеет два отопительных отбора пара - нижний и верхний, предназначенные для ступенчатого подогрева сетевой воды.

При ступенчатом подогреве сетевой воды паром двух отопительных отборов регулирование поддерживает заданную температуру сетевой воды за верхним сетевым подогревателем. При подогреве сетевой воды одним нижним отопительным отбором температура сетевой воды поддерживается за нижним сетевым подогревателем.

Минимальное расчетное количество пара, поступающего в конденсаторы, при номинальном режиме включения ПСГ верхней и нижней ступени подогрева (давление в верхнем отопительном отборе равно 0,098 МПа) составляет 18 т/ч.

Номинальная суммарная тепловая нагрузка отопительных отборов обеспечивается при номинальных параметрах свежего пара, номинальной температуре охлаждающей воды на входе в конденсаторы, полностью включенной регенерации, количестве воды, подогреваемой в ПВД, равном 100% расхода пара на турбину при работе турбоустановки по схеме со ступенчатым подогревом сетевой воды в сетевых подогревателях и минимальном количестве пара, поступающего в конденсаторы.

Мощность турбины при этом зависит от температуры подогрева сетевой воды и составляет: 110 МВт при подогреве от 51 до 92 ^оС, 108 МВт при подогреве от 54 до 100 ^оС, 107 МВт при подогреве от 56 до 108 ^оС.

Подогрев питательной воды осуществляется в регенеративной установке (рисунок 3.1) до температуры 229 ^оС при номинальном расходе свежего пара.

Данные по регенеративным отборам при номинальном режиме приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2

Характеристика отборов

Потребительпара	Параметры пара в камере отбора	Количествоотбираемогопаратч
	Давление, МПа	Температура, оС
ПВД №3	3,32	379	17,5
ПВД №2	2,28	337	27,3
ПВД №1	1,22	266	16,9
Деаэратор	1,22	266	6,6
ПНД №4	0,57	190	11,4
ПНД №3	0,294	133	22,2
ПНД №2	0,098	-	7,0
ПНД №1	0,037	-	0,6

Максимальная мощность турбины 120 МВт достигается при отсутствии нерегулируемых объектов сверх отборов на регенерацию; при величинах отопительных отборов, определяемых по диаграмме режимов; на конденсационном режиме.

Турбина может работать по тепловому график с минимальным пропуском пара в конденсаторы с конденсацией этого пара сетевой или подпиточной воды, в том числе, сырой, подаваемой во встроенные пучки конденсаторов. При этом тепло пара, поступающего в конденсаторы, используется для подогрева сетевой или подпиточной воды и тепловая нагрузка турбины увеличивается до номинальной.