Паровые турбины ТЭС и АЭС: устройство, параметры, типы
Паровая турбина — это тепловой двигатель, который превращает энергию пара во вращение ротора с генератором. Это основной двигатель большой энергетики: генераторы всех тепловых и атомных электростанций приводятся паровыми турбинами. При этом турбины ТЭС и АЭС работают на разном паре: на тепловой станции подают перегретый пар давлением 12,8–23,5 МПа с температурой 540–555 °C, на атомной — насыщенный пар 6–7 МПа. Отсюда разница в конструкции, размерах и КПД.
Кроме электростанций, паровые турбины ставят на судах военного и гражданского флота и применяют для привода насосов, газодувок и других машин.
Как устроена паровая турбина
Паровая турбина — это вал (ротор) с рядами рабочих лопаток, по которым разгоняется поток пара. Между рядами стоят диафрагмы с сопловыми решётками: пар расширяется в соплах, ускоряется и отдаёт энергию рабочим лопаткам. Одна пара «сопла + лопатки» — ступень; в крупной турбине ступеней несколько десятков, и пар последовательно отдаёт им энергию, охлаждаясь и расширяясь до глубокого вакуума.
Ротор большой турбины собирают из нескольких цилиндров: цилиндр высокого давления (ЦВД), среднего (ЦСД) и один или два низкого (ЦНД). После ЦВД пар направляют в промежуточный перегреватель котла и возвращают в ЦСД с температурой около 540 °C — так повышают КПД и снижают влажность пара на последних ступенях. Ротор опирается на подшипники, при остановках его медленно проворачивает валоповоротное устройство, чтобы вал не прогнулся.
Конструкцию типовой турбины средней мощности разобрали отдельно — на примере К-160-130. Узлы, которые чаще всего требуют внимания при эксплуатации, — рабочие лопатки, хвостовики лопаток, бандажи и связи и опорные подшипники.
Параметры пара: чем ТЭС отличается от АЭС
Разница в начальных параметрах пара. ТЭС работает с перегретым паром высокого давления, АЭС — с насыщенным паром среднего давления, поэтому турбины АЭС крупнее при той же мощности и дают меньше электроэнергии с килограмма пара.
| Параметр | ТЭС (блоки на угле, газе) | АЭС (ВВЭР, РБМК) |
|---|---|---|
| Давление свежего пара | 12,8 МПа (докритические) или 23,5 МПа (сверхкритические) | 6,0–6,8 МПа |
| Температура пара | 555 °C / 540 °C, вторичный перегрев до 540 °C | насыщенный пар со слабым перегревом |
| Промперегрев | есть, после ЦВД | заменён сепаратором-пароперегревателем (СПП) |
| Частота вращения | 3000 об/мин | 3000 или 1500 об/мин |
| КПД блока (брутто) | 38–40 % | около 31–33 % |
Влажный пар — главная головная боль атомной турбины. Пар из реактора нельзя перегреть до 540 °C, как в котле ТЭС, поэтому перед входом в ЦСД его осушают в сепараторе и догревают. Даже так, на выходе из ЦНД влажность доходит до 10–12 % — лопатки последних ступеней работают в условиях капельной эрозии, поэтому их делают из износостойких материалов и ставят защитные пластины.
На параметрах стоит остановиться отдельно, потому что они определяют всё:
Турбины ТЭС работают на перегретом паре 12,8 МПа / 555 °C (докритические блоки) или 23,5 МПа / 540 °C (сверхкритические), с промежуточным перегревом. Турбины АЭС — на насыщенном паре 6–6,8 МПа, поэтому на каждый киловатт нужно больше пара, а блок получается тяжелее и длиннее. Параметры приведены по каталожным данным серийных машин ЛМЗ и УТЗ «Красный котельщик» (К-160-130, К-300-240, К-800-240, К-1000-60/3000, К-1200-6,8/50).
Типы турбин: К, Т, ПТ, Р
Первая буква маркировки — назначение турбины:
- К — конденсационная: работает только на выработку электроэнергии, отработанный пар уходит в конденсатор. Пример: К-800-240 — 800 МВт, давление свежего пара 240 кгс/см² (23,5 МПа).
- Т — теплофикационная: кроме электроэнергии даёт горячую воду на отопление и ГВС города. Пример: Т-250/300-240 — 250 МВт номинала (до 300 МВт).
- ПТ — производственно-теплофикационная: часть пара отбирается на технологические нужды завода, часть — на тепло. Пример: ПТ-140/165-130/15 — давление производственного отбора 15 кгс/см².
- Р — с противодавлением: весь отработанный пар уходит паровому потребителю, конденсатора нет. Ставят на небольших промышленных ТЭЦ.
Расшифровка чисел: номинальная мощность в МВт и давление свежего пара. Так, К-160-130 читается «конденсационная, 160 МВт, 130 кгс/см² (12,8 МПа)».
Куда уходит отработанный пар
Отработанный пар поступает в конденсатор — теплообменник, где его охлаждают и превращают в воду. Внутри поддерживают вакуум 3,5–5 кПа: чем ниже давление за последней ступенью, тем больше работы турбина снимает с того же пара. Конденсат возвращается в цикл котла или парогенератора, а теплоту уносит охлаждающая вода — река, пруд-охладитель или градирня. На этом «сгорает» больше половины теплоты топлива: у турбины ТЭС с КПД 38–40 % остальные 60 % уходят именно через конденсатор.
Частые вопросы
Какая частота вращения у паровых турбин?
Большинство турбин крутится с частотой 3000 об/мин — под двухполюсный генератор сети 50 Гц. Часть турбин АЭС с ВВЭР (например, К-1000-60/1500) — 1500 об/мин с четырёхполюсным генератором: вал тяжелее, но лопатки последней ступени работают в более щадящих условиях.
Почему на АЭС турбины работают на влажном паре?
Пар в реакторах ВВЭР и РБМК генерируется при 6–7 МПа и температуре насыщения около 280 °C — перегреть его в реакторе нельзя. Поэтому перед ЦСД пар осушают в сепараторе и подогревают, а лопаткам добавляют стойкость к капельной эрозии.
Что означает маркировка К-800-240?
К — конденсационная турбина, 800 — номинальная мощность в МВт, 240 — давление свежего пара в кгс/см² (23,5 МПа, сверхкритические параметры).
Какой КПД у паротурбинной электростанции?
Брутто-КПД ТЭС со сверхкритическими параметрами — 38–40 %, атомных блоков с насыщенным паром — около 31–33 %. Остальная теплота уходит с охлаждающей водой через конденсатор.
Можно ли использовать паровую турбину без котла или реактора?
Нет: турбина — только двигатель, пар для неё должен откуда-то поступать. Без источника пара (энергобойлер на ТЭС, парогенератор на АЭС) она не работает; поэтому, например, судовые газотурбинные установки строят без парового цикла вовсе.
Типы турбин в таблице
| Параметр | Паровая турбина (ТЭС, АЭС) | Газовая турбина (ГТУ) |
|---|---|---|
| Рабочее тело | водяной пар | продукты сгорания газа |
| Рабочая температура | 500–600 °C | 900–1400 °C |
| КПД одиночной | 35–45 % | 30–35 % |
| КПД ПГУ (пар+газ) | — | 50–60 % |
| Мощность единицы | до 1200 МВт | до 500 МВт |
| Пуск | 1–6 часов | минуты |
Комбинированная парогазовая установка (ПГУ) объединяет газовую и паровую турбины: газовая турбина крутит генератор, а её горячие выхлопные газы греют пар для паровой турбины — суммарный КПД 50–60 %.
Типы паровых турбин по назначению
| Тип турбины | Назначение | Особенности |
|---|---|---|
| Конденсационная (К) | только выработка электроэнергии | отработавший пар конденсируется в конденсаторе |
| Теплофикационная (Т) | электроэнергия + отбор пара для отопления | отбор пара снижает КПД выработки, но тепло не выбрасывается |
| Промышленная (П) | пар для технологических нужд производства | отбор пара для заводских потребителей |
| Противодавленческая (Р) | пар на выходе используется целиком | без конденсатора, КПД выработки ниже |
Буква в маркировке К-800-240 означает тип турбины: К — конденсационная, 800 — номинальная мощность в МВт, 240 — давление свежего пара в кгс/см².
Источники
- Параметры серийных турбин (К-160-130, К-300-240, К-800-240, Т-250/300-240, К-1000-60/3000, К-1200-6,8/50) — по каталожным данным заводов-изготовителей ЛМЗ и УТЗ «Красный котельщик».
- Типовые начальные параметры пара энергетических блоков (130 кгс/см² / 555 °C и 240 кгс/см² / 540 °C) — общепринятые значения отечественной энергетики; конструкция типовой машины — в материале «Общее описание конструкции турбины на примере К-160-130».
