(Parne turbine) List: 1 PARNE TURBINE Parne turbine su toplinski strojevi u kojima se toplinska energija, sadržana u pari, pretvara najprije u kinetičku energiju, a nakon toga u mehanički rad. Podjela turbina prema načinu i mjestu pretvorbe toplinske energije u kinetičku: Akcijske turbine pretvorba toplinske energije u kinetičku zbiva se u statorskim lopaticama; Reakcijske turbine pretvorba toplinske energije u kinetičku zbiva se djelomično u statorskim i djelomično u rotorskim lopaticama. Pretvorba kinetičke energije u mehaničku energiju zbiva se, u oba slučaja, samo u rotorskim lopaticama. Pretvorba energije u parnoj turbini događa se zahvaljujući razlici ulaznih i izlaznih parametara pare (tlak, temperatura). Sama turbina ne utječe na veličinu tih parametara. Ti su uvjeti nametnuti izvana dok turbina, koristeći razliku energetske razine koja proizlazi iz razlike ulaznih i izlaznih pogonskih parametara pare, proizvodi korisnu mehaničku energiju uz neizbježne gubitke čija veličina prvenstveno ovisi u njenoj konstrukciji. Podjela turbina prema tlaku pare na izlazu: Kondenzacijske turbine para izlazi u kondenzator u kojemu vlada podtlak (vakuum); Protutlačne turbine para izlazi pod tlakom koji je veći od atmosferskoga (pretlak) te se dalje koristi za pogon manjih (pomoćnih) turbina u energetskome sustavu ili za opskrbu toplinske energije; Kondenzacijske turbine s oduzimanjem pare para djelomično izlazi kroz regulirana ili neregulirana oduzimanja za potrebe raznih pomoćnih potrošača, a preostali dio izlazi u kondenzator.
(Parne turbine) List: 2 OSNOVNE ZAKONITOSTI RADA PARNIH TURBINA Teoretske osnove rada parnih turbina temelje se na sljedećim zakonitostima: Jednadžba kontinuiteta: Obujam pare koji protječe kroz neki presjek strujnoga kanala određen je veličinom presjeka (A) i brzinom strujanja (c), odnosno: = [m 3 /s] Zakon o održanju protoka mase: Masa pare koja protječe kroz neki strujni kanal ovisi o njegovom presjeku (A), brzini strujanja (c) i gustoći (ρ), odnosno: = = [kg/s] Kod strujanja pare u strujnom kanalu njena protočna masa u svim presjecima jednaka je i nepromijenjena (konstantna), odnosno: = = = =. = = =. Zakon o održanju energije: Ako se pri strujanju fluida (pare) kroz neki strujni kanal ne dovodi niti odvodi energija, tada je suma energija (unutarnja, vanjska, kinetička) u svim strujnim presjecima kanala i nepromijenjena (konstantna), odnosno: + + = + + = konst. + = h h h = [kj/kg] Prirast kinetičke energije jednak je toplinskome u promatranim presjecima strujnoga kanala.
(Parne turbine) List: 3 Kod akcijskih parnih turbina se prirast kinetičke energije pare na račun toplinskoga pada zbiva u statorskim sapnicama, a kod reakcijskih turbina dijelom u statorskim sapnicama i dijelom u rotorskim lopaticama. Zakon o količini gibanja: Dinamičko razmatranje strujanja fluida (pare) u strujnome kanalu definirano je zakonom o količini gibanja prema kojemu je promjena impulsa (umnožak mase i brzine) u jedinici vremena jednaka rezultanti vanjskih sila koje djeluju na tu masu, odnosno: ( ) = = [ / ] ( ) = ( ) = = = + Rezultanta vanjskih sila (R) koje djeluju na strujni kanal jednaka je i suprotna smjera sili (F p ) s kojom para djeluje na strujni kanal, odnosno: =, = ( ), =
(Parne turbine) List: 4 SAPNICE Djelovanje sapnice proizlazi iz zakona o održanju energije, a osnovni proračun iz jednadžbe pretvorbe toplinske u kinetičku energiju: h h = 2 Za slučaj da je: c 1 ~0, c 2 =c t (adijabatska ekspanzija bez gubitaka) Teoretska brzina na izlazu iz sapnice: = 2(h h ) =1,41 h h [m/s] Stvarna brzina na izlazu iz sapnice je manja zbog djelovanja trenja koje se izražava koeficijentom brzine (φ=0,92-0,98). = =1,41φ h h [m/s] Sapnice se mogu izvoditi kao: neproširene i proširene. Neproširena sapnica A 1 ρ 1 A 2 ρ 2
(Parne turbine) List: 5 Za slučaj kada je izlazni tlak veći od kritičnoga ( >p k ): - p k =0,544 (za pregrijanu paru) - p k =0,573 (za zasićenu paru) =1,41φ h h [m/s] = [kg/s] Za slučaj kada je izlazni tlak manji ili jednak kritičnom tlaku ( p k ): = =1,41φ h h [m/s] = [kg/s] gdje je h k, ρ k odgovaraju veličinama pare kod kritičnoga tlaka (p k ). Proširena sapnica A 1 ρ 1 A k p k ρ k A 2 ρ 2 =1,41φ h h [m/s] =1,41φ h h [m/s] = =, = [kg/s]
(Parne turbine) List: 6 STRUJANJE PARE U TURBINI Akcijski stupanj turbine Plan brzina u strujnim kanalima akcijske turbine x y α 1 Stator u ' Rotor u β 1 w 1 α 1 c 1 u β 2 α 2 w 2 c 2 ' = u obodna brzina rotora c 1 - apsolutna brzina na ulazu u rotorske lopatice w 1 - relativna brzina na ulazu u rotorske lopatice c 2 - apsolutna brzina na izlazu iz rotorskih lopatica w 2 - relativna brzina na izlazu iz rotorskih lopatica Obodna sila pare na kolo rotora: = = ( ) = ( + ) [N] Aksijalna sila na kolo rotora: F y =F A = = ( ) [N]
(Parne turbine) List: 7 Promjena parametara pare u akcijskoj turbini (3-stupanjskoj) h t 1, t 1 Δh i1 p 4 Δh i2 Δh i Δh Δh i3 p 3 p4 = x=1,0 s u u u p 3 c 1 c 2 c 1 c 2 c1 p 4
(Parne turbine) List: 8 Reakcijski stupanj turbine Plan brzina u strujnim kanalima reakcijske turbine x y α 1 Stator u ' Rotor u β 1 w 1 α 1 c 1 u β 2 α 2 w 2 c 2 ' > β 2 =α 1 ; w 2 =c 1 ; = ; = ; Obodna sila pare na kolo rotora: = = ( ) = ( + ) [N] = = ( + ) [N] Aksijalna sila pare na kolo rotora: F y =F A = + = ( ) + ( ) [N] gdje je A k površina rotorskoga kola na koju djeluje tlak pare.
(Parne turbine) List: 9 Promjena parametara pare u reakcijskoj turbini (3-stupanjskoj), t 1 h t 1 Δh i1 I II Δh i2 Δh i3 Δh i Δh p 3 p4 III p 4 =p izl = x=1,0 s u u u p 3 c 1 c 2 c 1 c 2 c1 p 4
(Parne turbine) List: 10 GUBICI I ISKORISTIVOST PARNIH TURBINA U radu parnih turbina nastaju gubici koji se u osnovi dijele na: Unutarnji gubici Vanjski gubici. Unutarnji gubici: - gubici u sapnicama, odnosno u sprovodnom aparatu, - gubici u lopaticama, odnosno u radnom vijencu, - gubitak zbog trenja i ventilacije radnoga kola, - gubitak zbog propuštanja (bježanja) pare kroz raspore između pojedinih stupnjeva turbine, - gubitak kinetičke energije pare na izlazu. Unutarnji gubici utječu na krivulju promjene stanje radnoga fluida (pare) jer se pretvaraju u toplinu koja povećava entalpiju pare- Unutarnji gubici predstavljaju razliku između raspoložive snage na obodu kola turbine i unutarnje snage na vratilu turbine. Vanjski gubici: - mehanički gubici u ležajevima i reduktoru, - gubici topline zračenjem u okolinu. Vanjski gubici ne utječu na krivulju promjene stanja radnoga fluida (pare). Vanjski gubici čine razliku između unutarnje snage na vratilu i efektivne snage na spojci turbine.
(Parne turbine) List: 11 Gubici u sapnicama (g s ) Gubici u sapnicama nastaju zbog trenja pri strujanju kroz sapnice i provodni kanal čime uzrokuju da se ekspanzija u njima ne zbiva izentropski već politropski uz povećanje entalpije pare na izlazu. Oni smanjuju stvarnu izlaznu brzinu iz sapnice u odnosu na teoretsku, ovisno o koeficijentu brzine u sapnicama φ, prema jednadžbi: = Zbog toga nastaje gubitak kinetičke energije, odnosno: = 2 2 = 2 2 = (1 ) [J/kg] Faktori koji utječu na veličinu gubitaka u sapnicama: - hrapavost stjenki sapnica, - geometrijski oblik (dužina, poprečni presjek), - zakrivljenost sapnica, - dužina proširenoga dijela sapnice Koeficijent brzine u sapnicama: φ = 0,92 0,98.
(Parne turbine) List: 12 Gubici u lopaticama (g l ) Gubici u lopaticama, odnosno u rotorskome vijencu, nastaje uslijed otpora trenja pri strujanju pare u strujnim kanalima između lopatica, što uzrokuje smanjenje izlazne relativne brzine i razliku između teoretske i stvarne kinetičke energije na izlazu iz lopatica, donosno: = = 2 2 = 2 2 = (1 ) [J/kg] Gubitak kinetičke energije u lopaticama definiran je s koeficijentom brzine u lopaticama ψ, koji ovisi o više faktora: - kvaliteta obrade površina lopatica (hrapavost), - dužina strujanja između lopatica, - promjena pravca strujanja (ulazni i izlazni kutovi nagiba lopatica β 1 i β 2, odljepljivanje mlaza, vrtloženje), - debljina ulazne i izlazne ivice profila lopatica, - neujednačenost mlaza pare iz sapnica, - vlažnost pare, - odstupanje stvarnih uvjeta strujanja od projektnih. Koeficijent brzine lopatica manji je kod akcijskih turbina u odnosu na reakcijske jer je kod akcijskih turbina zakrivljenost lopatica veća. Ψ=0,8-0,9 (kod akcijskih turbina) Ψ=0,9-0,95 (kod reakcijskih turbina).
(Parne turbine) List: 13 Gubici zbog trenja i ventilacije radnoga kola (g t,v ) Ovaj gubitak nastaje kao posljedica otpora kojega stvara para pri rotaciji radnoga kola. Proizlazi iz dva dijela: otpora kojega stvara disk kola te otpora kojega stvara vijenac kola. Kod jedno-stupanjskih turbina je gubitak trenja i ventilacije relativno velik u odnosu na više-stupanjske turbine, a naročito u stupnjevima s nižim tlakovima gdje je gustoća pare manja. Kod reakcijskih turbina su gubici trenja i ventilacije manji jer takve turbine nemaju kola, već bubanj na kojemu su smješteni redovi lopatica. Gubici zbog propuštanja (bježanja) pare kroz raspore između pojedinih stupnjeva turbine (g r ) To je gubitak koji nastaje kao posljedica prestrujavanja dijela pare mimo radnih dijelova (sapnica i lopatica), odnosno kroz raspore i procjepe, čime taj dio pare ne vrši radnju već djeluje na promjenu toplinskoga stanja (entalpije) iza pojedinoga stupnja turbine. Zbog nužnih raspora između pokretnih i nepokretnih dijelova turbine, ovaj se gubitak ne može u potpunosti izbjeći. Gubitak kinetičke energije na izlazu (g iz ) Taj gubitak nastaje kao posljedica izlazne brzine pare iz pojedinoga stupnja turbine odnosno na izlazu iz nje. Kod više-stupanjskih turbina se izlazna kinetička energija iz pojedinoga stupnja iskorištava na ulazu u sljedeći stupanj. Međutim, izlazna kinetička energija iza zadnjega stupnja, odnosno na izlazu iz turbine, ne može se više iskoristiti te predstavlja izlazni gubitak kinetičke energije pare prema jednadžbi: = [J/kg]
(Parne turbine) List: 14 h-s dijagram jedno-stupanjske turbine h 1 h t 1 Δh i h iz' h iz g iz g r g tv g l g s Δh h-s dijagram više-stupanjske (3-stupanjske) turbine h h 1 t 1 s I Δh i II Δh h iz' p 3 III Σg i h iz p iz s
(Parne turbine) List: 15 Energetska bilanca parne turbine - Teoretski toplinski pad u turbini: (izentropska ekspanzija bez nepovratnih unutarnjih gubitaka): h = h h [kj/kg] - Teoretska snaga turbine: = h = (h h ) [kw] gdje je: D - protočna masa pare kroz turbinu u kg/s. - Unutarnji toplinski pad u turbini: h = h h [kj/kg] - Unutarnja iskoristivost parne turbine: = h h = ( h Σ ) h - Unutarnja snaga parne turbine (snaga na vratilu turbine): = h = (h h ) = h [kw] - Efektivna snaga turbine (snaga na spojci turbine): = = h [kw] gdje je: - mehanička iskoristivost turbine s kojim se uzimaju u obzir mehanički gubici u ležajevima, reduktoru i pomoćnim uređajima. - Efektivna iskoristivost parne turbine: - Iskoristivost generatora električne energije: gdje je: N E - snaga električne energije na stezaljkama generatora. = =
(Parne turbine) List: 16 Mehanička iskoristivost turbine u zavisnosti od snage Mehanička iskoristivost, η m 1 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0,9 0 5 10 15 20 Snaga turbogeneratora, N E [MW] Mehanička iskoristivost, η m 1 0,995 0,99 0,985 0,98 0 100 200 300 400 500 Snaga turbogeneratora, N E [MW]
(Parne turbine) List: 17 Efektivna iskoristivost turbine u zavisnosti od snage 0,9 Efektivna iskoristivost turbine, η et 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 η et =η it η m 0 5 10 15 20 Snaga turbogeneratora, N E [MW] Efektivna iskoristivost turbine, η et 0,88 0,87 0,86 0,85 0,84 0,83 0,82 0,81 0,8 0,79 η et =η it η m 0 100 200 300 400 500 Snaga turbogeneratora, N E [MW]
(Parne turbine) List: 18 Iskoristivost generatora električne energije u zavisnosti od snage Iskoristivost generatora električne energije, η eg 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0,9 0 1 2 3 4 5 Snaga turbogeneratora, N E [MW] Iskoristivost generatora električne energije, η eg 1 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0 100 200 300 400 500 Snaga turbogeneratora, N E [MW]