Турбинные установки

Паротурбинные установки. Основным элементом тур­бинных установок является турбина-двигатель с непрерыв­ным рабочим процессом. Энергия рабочего тела (пара, газа или воды) на лопатках рабочего колеса турбины непрерывно преобразуется в механическую. Механическая энер­гия, полученная колесом, определяется разностью кинети­ческих энергий рабочего тела на входе и выходе из канала, образованного соседними лопатками колеса турбины. В паровых турбинах для создания высокой скорости на входе в лопатки применяются сопла, в которых потенци­альная энергия пара частично или полностью преобразу­ется в кинетическую. Давление пара падает, скорость рас­тет. Из уравнения баланса энергии несложно определить зависимость скорости выхода из сопла w₁ (или выхода на лопатку) от величины разности энтальпий пара I до и по­сле сопла:

, м/с, (86)

где j – коэффициент скорости, учитывающий потери на трение, вихреобразование и т.п.

В диаграмме I – S (рис. 87) эта разность энтальпий для одной ступени (сопло – лопатка) имеет вид отрезка 1 – 2а при адиабатном истечении, а с учетом потерь – от­резка 1 – 2.

В конструкциях паровых турбин применяют такие сту­пени, в которых процесс превращения перепада давления в скорость не полностью заканчивается в соплах, а частично и в лопаточном канале, где благодаря изменению скорос­ти, возникает реактивный эффект, повышающий окружную скорость колеса. Отношение теплоперепада на лопатках к теплоперепаду на всей ступени называется степенью реак­ции. Паровые турбины, у которых степень реакции ρ =h_л/h_а каждой из ступеней не превосходит 0,15, называ­ются активными, а при условии ρ ³ 0,4 реактивными.

Современные паровые турбины выполняются многосту­пенчатыми и комбинированными, с использованием как активных, так и реактивных ступеней. Одним из основных элементов турбинных установок является паровой конден­сатор. Это трубчатый теплообменник, в котором за счет интенсивного охлаждения во­дой, проходящей по трубкам происходит конденсация отра­ботавшего в турбине пара. При конденсации рабочего па­ра происходит уменьшение в сотни тысяч раз его объема, т.е. резкое падение давления пара.

Как видно из диаграммы водяного пара I – S, чем ниже давление в конденсаторе, тем больше располагаемый теплоперепад, а значит и мощность, развиваемая турбиной. Глуби­на разрежения (или вакуума в конденсаторе) определяется начальной температурой ох­лаждающей воды и кратностью охлаждения.

Кратность охлаждения m – это количество охлаждаю­щей воды, необходимой для конденсации 1 кг пара.

На современных станциях m = 50 – 70. Как правило, ох­лаждающая конденсатор вода циркулирует в замкнутом контуре, который включает специальные охладители — градирни или брызгальные бассейны. Конденсат, образу­ющийся в межтрубном пространстве конденсатора, с по­мощью насосов подается в трубопровод питательной воды котельной установки. Скрытая теплота парообразования, уносимая охлаждающей водой, теряется.

Паротурбинные установки, у которых весь пар прохо­дит через конденсатор, называются конденсационными. Они предназначены для выработки только электроэнергии. Их к.п.д. с учетом термодинамических потерь, внутренних или потерь несовершенства процесса, механических потерь и потерь в электрогенераторе, в современных установках достигает 29 – 39%.

Конденсационные турбины устанавливаются, как пра­вило, на крупных электростанциях и предназначаются для выработки электроэнергии.

На ТЭЦ металлургических заводов наибольшее распро­странение имеют схемы с комбинированной выработкой тепловой и электрической энергии и регенеративным подо­гревом питательной воды. На таких станциях применяют турбины с производственными и теплофикационными отбо­рами пара соответственно при Р = 0,60 – 0,130 МПа и Р = 9 – 17 МПа и Т= 480 – 570 °С. Они являются приводом электрогенераторов мощ­ностью 17 и 22 МВт. Производственный отбор за­частую работает парал­лельно с утилизационны­ми установками.

Как показывает опыт эксплуатации, такие теп­ловые схемы особенно выгодны на станциях, где котлоагрегаты работают с высоким подогревом возду­ха. Регенератив-ный подогрев воды позволяет уменьшить поверхность водяного экономайзера котла и тем самым поднять температуру газов, поступающих в воздухоподо­греватель.

Схемы с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии экономически более выгодны, чем схемы с чисто конденсационными турбинами.

Газотурбинные установки. При использовании газа в качестве рабочего тела газотурбинная установка (ГТУ) приобретает ряд существенных особенностей по сравнению с паротурбинной. Теплоперепад, который срабатывается в проточной части газовой турбины, значительно меньше, чем Теплоперепад паровой турбины, однако объемный и массовый расходы газа, а также уровень температур значительно выше. Это приводит к конструктивным различи­ям газовых турбин.

В черной металлургии успешно применяется другой тип газовых расширительных турбин — утилизационные бес­компрессорные, типа ГУБТ. В них сжигание газов не про­изводится, поэтому камера сгорания и воздушный ком­прессор отсутствуют. ГУБТ предназначен для использова­ния потенциальной энергии доменного газа с параметрами Р = 240¸350 кПа и T= 120 – 140°С до давления 110 кПа.

Схема включения ГУБТ в сеть доменного газа дана на рис. 88. Проточная часть турбины имеет две ступени. Под­вод газа осевой, через блок поворотных диафрагм, выпол­няющих роль регулирующего и отсечного устройства. Отвод газа вниз, под углом через цилиндрический патрубок, и далее в сеть доменного газа.

Освоен выпуск нескольких типоразмеров ГУБТ для ус­тановки за доменными печами различного объема, кото­рые маркируются по предельной мощности генератора на 6, 8, 12 МВт (ГУБТ - 6, 8 или 12), на расход газа соответст­венно 150, 260 и 360 тыс. м³/ч.

Себестоимость выработки электроэнергии по опыту ря­да заводов страны составляет 0,2 – 0,35 коп/(кВт×ч), что значительно ниже стоимости 1 кВт×ч заводской ТЭЦ. Эф­фект от использования утилизационных турбин на домен­ном газе позволяет покрыть расходы на компремирование воздушного дутья доменных печей на 40%.

Охлаждение печей

Многие элементы конструкции металлургических пе­чей, работающие в зоне высоких температур, имеют спе­циальное охлаждение. Это предохраняет их от прогара, повышает стойкость кладки, поддерживает температуру в пределах не допускающих разрушение и износ материалов. В некоторых случаях охлаждение способствует созданию гарнисажа, защитного слоя стенки печи.

Охлаждающей средой может быть воздух, вода или па­роводяная смесь. Воздушное охлаждение деталей приме­няется в случае, если плотность теплового потока на стен­ку детали не превышает 2 кВт/м². Этот способ применяет­ся, например для охлаждения лещади доменной печи.

Наибольшее распространение имеют водяное проточное охлаждение и замкнутые системы испарительного охлаж­дения печей.