Что такое паровая турбина с отбором пара и где она применяется?

Турбина с отбором пара вырабатывает механическую энергию или электроэнергию, отводя часть потока пара на одной или нескольких промежуточных ступенях. Отобранный пар может обеспечивать теплом промышленный процесс, сеть централизованного теплоснабжения или оборудование самой электростанции. Оставшийся в турбине пар продолжает расширяться и вырабатывает дополнительную мощность.

Главное отличие заключается в том, что отбор позволяет вывести пар до конечного выхлопа турбины. Это дает возможность одновременно использовать пар для полезного теплоснабжения и вырабатывать электроэнергию, но при этом меняется количество пара, остающегося для выработки мощности на последующих ступенях. Целесообразность такой схемы во многом зависит от потребности объекта в паре и изменений этой потребности во времени.

Как работает паровая турбина с отбором пара?

Пар поступает в турбину при относительно высоких давлении и температуре. Проходя через последовательные ряды лопаток, он расширяется и передает энергию вращающемуся валу. Вал может приводить в действие генератор или механическое оборудование, например компрессор или насос.

На выбранной промежуточной ступени часть пара выходит через отборный патрубок. Его давление и температура зависят от точки отбора и условий эксплуатации. Оставшийся пар проходит через последующие ступени до выхлопа турбины.

Рассмотрим предприятие, которому нужны электроэнергия и пар среднего давления для производственного процесса. Вместо того чтобы направлять весь котловой пар через турбину до самого низкого давления, предприятие может отвести его часть на промежуточном давлении, подходящем для процесса. Отобранный пар отдает тепло в технологическом оборудовании, а полученный конденсат при соответствующих условиях можно собрать и вернуть в котельную систему.

Отбор не создает дополнительную энергию. Пар, отведенный до последних ступеней турбины, не может выработать там ту мощность, которую он выработал бы в противном случае. Потенциальное преимущество заключается в использовании остаточной тепловой энергии отобранного пара вместо ее сброса в виде отходящего тепла.

Регулируемый и нерегулируемый отбор

Не все точки отбора работают одинаково. В схеме срегулируемым отбором клапаны и система управления турбиной регулируют условия в зоне отбора, помогая поддерживать заданное давление пара при изменении потребности. Это может быть полезно, если технологическому процессу требуется относительно стабильное давление подачи. Достижимые расход отбираемого пара и давление по-прежнему зависят от конструкции турбины и ограничений ее эксплуатации.

В схеме снерегулируемым отбором пар отбирается с промежуточной ступени без специального регулирования давления отбора. Это давление меняется вместе с нагрузкой турбины и расходом пара. Нерегулируемый отбор может подходить для оборудования, допускающего такие изменения, например для некоторых схем подогрева питательной воды.

Турбина может иметь несколько точек отбора, обеспечивающих подачу пара с разными уровнями давления. Однако каждое дополнительное подключение должно соответствовать общему балансу пара и системе управления. Не следует считать, что в каждой точке отбора можно независимо регулировать давление.

Турбины с отбором пара и конденсацией и с отбором пара и противодавлением

Отбор характеризует место удаления пара из турбины, но сам по себе не описывает, что происходит с оставшимся паром. Два распространенных варианта различаются конечными условиями выхлопа.

Втурбине с отбором пара и конденсацией оставшийся пар проходит через ступени низкого давления, а затем поступает в конденсатор. При нормальном конденсационном режиме в конденсаторе поддерживается давление ниже атмосферного, что позволяет пару расширяться дальше и, следовательно, вырабатывать больше электроэнергии из неотобранного пара. Для отвода тепла из конденсатора требуется система охлаждения.

Втурбине с отбором пара и противодавлением оставшийся пар выходит под давлением выше атмосферного для отопления или технологических нужд, а не направляется в вакуумный конденсатор. Таким образом, такая турбина может подавать пар как из промежуточной точки отбора, так и из выхлопа. Выработка электроэнергии тесно связана с объемом пара, который могут принять подключенные потребители тепла, если только в общей системе не предусмотрен другой подходящий выход для пара.

Эти категории полезны при изучении описаний оборудования. Например, линейкаSteam Turbine включает варианты с отбором пара и конденсацией, а также с отбором пара и противодавлением. Это различие имеет значение, поскольку схема паровой системы предприятия, которому нужен технологический пар низкого давления на выхлопе, отличается от схемы предприятия, рассчитанной на работу с конденсатором.

Где используется отобранный пар?

Наиболее известное применение — этокомбинированное производство тепла и электроэнергии, при котором одна и та же паровая система обеспечивает выработку электроэнергии и полезное теплоснабжение. Отбор также применяется внутри электростанций, даже если пар не подается на внешние промышленные предприятия.

• Целлюлозно-бумажная промышленность: Пар может использоваться, например, для сушки и других технологических процессов нагрева, а турбина — вырабатывать электроэнергию. Требуемое давление отбора зависит от паровой сети предприятия и условий его эксплуатации.
• Химические и нефтеперерабатывающие предприятия: Пар среднего давления может использоваться для нагрева и других технологических нужд. Может потребоваться несколько уровней давления, поэтому паровой баланс предприятия имеет важное значение для проектирования турбины.
• Производство продуктов питания и напитков: Отобранный пар может применяться для нагрева, приготовления, сушки или очистки при наличии подходящей паровой системы. Для каждого применения необходимо учитывать требования к качеству пара и его отделению от продукта.
• Централизованное теплоснабжение: Отобранный пар может нагревать воду в теплообменниках для подачи в здания. Потребность в тепле меняется в зависимости от погоды и сезона, что влияет и на расход отбора, и на выработку электроэнергии.
• Электростанции: Пар, отобранный с промежуточных ступеней, может нагревать питательную воду котла перед ее возвратом в парогенератор. Такая схема регенеративного подогрева повышает термодинамическую эффективность парового цикла, хотя и сокращает количество пара, доступного для последующих ступеней турбины.
• Системы на биомассе, переработки отходов в энергию и утилизации отходящего тепла: Если эти источники обеспечивают пар с подходящими параметрами, отбор может поддерживать теплоснабжение потребителя наряду с выработкой электроэнергии. Целесообразность схемы зависит от надежности и графика работы как источника пара, так и потребителя тепла.

Не всем предприятиям необходимо использовать отбор пара. Если у предприятия нет практической возможности использовать пар промежуточного давления, отводить пар из турбины может быть нецелесообразно. И наоборот, предприятию со значительной тепловой нагрузкой может быть полезно рассмотреть отбор пара как часть общей системы пароснабжения и выработки электроэнергии.

От чего зависит целесообразность применения отбора пара?

Давление и температура пара важнее конфигурации турбины. Потребитель тепла должен получать пар с подходящими параметрами с учетом потерь давления в трубопроводах и регулирующем оборудовании. Выбор точки отбора только потому, что она предусмотрена в турбине, может привести к тому, что технологическому процессу будет недоставать давления или в него будет поступать пар с избыточно высокими параметрами.

Потребность в тепле и электроэнергии необходимо рассматривать вместе. При росте потребности технологического процесса в паре может увеличиться отбор, и для выработки электроэнергии на последующих ступенях останется меньше пара. При снижении потребности в тепле система должна обеспечивать работу в изменившихся условиях расхода. Установка с отбором пара и конденсацией в пределах проектных ограничений может продолжать направлять подходящий пар в конденсатор; для схемы с противодавлением требуется подходящий потребитель или другое решение для утилизации выхлопного пара.

Изменения режима работы не менее важны, чем расчетная точка. На работу могут влиять производственные графики, сезонная потребность в отоплении, выработка котла и потребность в электроэнергии. Минимальный и максимальный расходы отбора, диапазон регулирования давления, ограничения по нагрузке турбины и условия пуска помогают определить, сможет ли установка обслуживать предприятие при всех этих изменениях.

Системы конденсата и охлаждения влияют на всю установку. Возврат чистого конденсата может сократить потребность в подпиточной воде и сберечь тепло, однако условия его возврата зависят от технологического процесса и риска загрязнения. Для конденсационной турбины также необходима подходящая система охлаждения и обращения с конденсатом; эти требования следует учитывать наряду с возможностью повышения выработки электроэнергии.

Таким образом, турбину с отбором лучше рассматривать как средство распределения энергии пара между выработкой электроэнергии и одной или несколькими полезными тепловыми нагрузками. Ее пригодность зависит не только от самой турбины, но и от давления, расходов, графиков эксплуатации и подключенного оборудования всей паровой системы.