Парна турбина
Парна турбина је механичка справа која издваја термалну енергију из паре под притиском и претвара је у користан механички рад.
Припада групи топлотних мотора, попут мотора са унутрашњим сагоревањем (SUS) и парне машине, који претварају топлотну енергију у механички рад.
Са друге стране, парна турбина спада у групу турбомашина заједно са пумпама, вентилаторима, хидрауличним и гасним турбинама и турбокомпресорима. Ужи део ове групе представља група топлотних турбомашина коју чине парне и гасне турбине и турбокомпресори.
У турбомашинама се рад директно добија преко обртног кретања радних делова када су у питању турбине, или се пак улаже путем обртног кретања ради повећања енергије гаса или течности која струји кроз машину (пумпе, вентилатори, компресори).
Потребно је напоменути да компресори и пумпе нису неопходно турбомашине. Постоје клипни компресори, клипне, запреминске и зупчасте пумпе. Нпр. реч "компресор" представља намену уређаја, док реч "турбо" говори о начину извршавања његове функције.
Парне турбине се користе за погон бродова, разних машина при процесима у индустрији - пумпи, компресора, млинова итд., али највише се користе у енергетици за покретање електричних генератора у електранама.
Висок степен корисности постројења, великих снага, велик однос снаге према маси машине, сигурност у погону, висок степен аутоматизације неки су од разлога да парна турбина и данас заузима водеће место у производњи електричне енергије.
Термодинамичке основе уреди
Добијање рада у топлотним моторима се одвија помоћу радног тела - флуида (гаса, паре односно течности или мешавине), чијим се променама стања у току процеса од доведене топлоте финално добија механички рад.
То значи, да би се покренуо топлотни мотор мора му се доводити одређена количина топлоте из топлотног извора, која се у радном циклусу преводи у користан рад. Међутим, да би оваква машина давала рад перманентно, после извршеног рада мора се једна количина неискоришћене топлоте одвести из процеса да би се радно тело вратило у првобитно стање и процес почео изнова. Ово је директно повезано са Другим законом термодинамике из кога следи да осим топлотног извора, мора постојати и топлотни понор, коме ће се предати један део топлоте која представља чист, али и неизбежан губитак.
Опште гледано, сваки термодинамички циклус топлотног мотора се састоји из сабијања радног тела, довођења топлоте, ширења радног тела (при чему се добија рад) и одвођења једног дела топлоте. Наравно, за сабијање радног тела на почетку процеса потребно је уложити неки рад. Најједноставније је ако се један део добијеног рада на крају процеса уложи у то сабијање, што оставља вишак, користан неискоришћени рад за покретање неке машине.
Елементи постројења уреди
У парној турбини процес започиње увођењем воде у пумпу, која је сабија и диже њен притисак на жељену вредност. Затим се доводи топлота тако да вода у цевима постројења почиње да кључа, и најзад потпуно испарава, чиме се добија сувозасићена пара. Ако се након тога пара још загрева, каже се да турбина ради са прегрејаном паром. Пара се затим уводи у турбину и ту предаје део своје енергије ротору турбине, при чему јој пада притисак и шири се. Начин на који она предаје енергију ротору ће бити објашњен касније, али за сад је довољно дати пример везан за клипне моторе: са једне стране цилиндра имамо затворен, загрејан гас под високим притиском (продукти сагоревања), док је са друге стране клипа нормалан, атмосферски притисак. Гас под високим притиском гура клип при чему се повећава запремина у којој је он заробљен, и тиме се гас шири и хлади. Клип је повезан са клипњачом, ова опет са коленастим вратилом, и тако све до точкова, чије окретање ставља возило у покрет. Значи у овом случају гас у цилиндру, преко клипа мотора даје користан рад који се супротставља отпору кретања возила.
Тако пара која је обавила рад излази из турбине раширена и охлађена (и већ делимично кондензована), и сада је потребно додатно је охладити како би се вратила у почетно стање и кружни процес могао кренути изнова.
Дакле, потребан је раније споменути топлотни понор, да преузме овај вишак енергије. У пракси то ће најчешће бити околина, поготово за велика постројења. Користећи околни ваздух или воду из реке хладимо пару са изласка из турбине док се потпуно не кондензује. Затим вода може поново отићи у пумпу. То значи да пара на изласку из турбине мора бити нешто више температуре од околине, да би могла бити хлађена телима узетим из околине. Ово директно одређује величину одведене, "неопходно бачене" топлоте. Део постројења где се радно тело хлади и кондензује уз помоћ расхладне воде назива се кондензатор. У кондензатору влада притисак доста испод атмосферског, да би се кондензовање паре могло одвијати на температурама једва нешто вишим од температуре околне (а не на 100 степени Целзијуса као на атмосферском притиску).
Турбине спадају у проточне машине које континуално дају рад, за разлику од клипних мотора који дају рад у "налетима". Радни флуид код парних турбина (ПТ) прима топлоту од спољњег извора за разлику од, рецимо, дизел и бензинских мотора, где се топлота доводи изнутра - сагоревањем горива у самом радном телу (ваздуху), тако да ПТ није мотор са унутрашњим сагоревањем. Такође парна турбина има (најчешће) затворен циклус, где се радно тело изнова враћа у процес по његовом завршетку. Битно је напоменути да се под паром не мисли на водену пару и ако је она највише у примени због практичних разлога доступности и цене. Парне турбине раде са живиним парама, са парама фреона и других расхладних течности. Теоретски гледано, циклус се може остварити са паром било које супстанце ако би он био у граници температура извора и понора. Ипак, велике индустријске и енергетске машине су пројектоване и грађене искључиво за рад са водом и воденом паром из практичних разлога.
Турбопостројење и парни блок уреди
Радно тело се загрева у парном котлу где му се предаје топлота добијена сагоревањем горива, најчешће фосилних. У том случају, загрејани продукти сагоревања представљају топлотни извор. Такође, може се користити отпадна топлота од неке друге машине или индустријског процеса. Код нуклеарних постројења вода, односно пара, загревају се топлотом добијеном у нуклеарном реактору.
Парна турбина са кондензатором, пумпама, цевоводима и осталом пратећом опремом се назива турбопостројење. Турбопостројење заједно са парним котлом, односно са котловским постројењем назива се парни блок.
Историјски развој уреди
Оно што би се могло назвати првом познатом парном турбином направио је Херон Александријски 120 година пре нове ере. То је био мали лоптасти резервоар загреван пламеном са два избачена млазника који су окретали направу око осовине.
Другу, која је имала и практичну примену, направио је апотекар Ђовани де Бранка 1629. године и покретала је апотекарски млин.
Настанак и развој термодинамике омогућавају научни развој савремених топлотних машина.
Појава модерне парне турбине дешава се крајем XIX века где је више проналазача и стручњака оставило траг.
Енглески инжењер Сер Чарлс Парсонс патентира своју реакциону турбину 1884. године, у којој је пара прерађивана у више корака.
Током 1880-тих, шведски инжењер Густав де Лавал је развио већи број реакционих турбина које су радиле са 40.000 обртаја у минути. Касније се окренуо једноступањским акционим турбинама код којих се пара убрзавала до великих брзина у конвергентно-дивергентним млазницима.
Око 1900. године највећа инсталисана снага парне турбине била је 1.200 kW, док је десет година касније износила 30.000 kW.
Данашњи конвенционални блокови велике снаге раде на 600 MW, док блокови највеће снаге достижу и 1.500 MW.
Принцип рада уреди
Већ је напоменуто да се пара у турбини прерађује у једном или више корака и при томе се у сваком кораку искористи један део њене енергије. Ово се обавља у ступњевима турбине. Ступањ турбине чине непокретна решетка преткола, причвршћена за кућиште и покретна решетка радног кола, спојена са вратилом. Под решетком се подразумева већи број идентичних аеропрофила постављених на истом међусобном одстојању. Код турбомашина се мисли на кружне решетке, где су лопатице (аеропрофилна тела) постављене осносиметрично. Лопатице радног кола заједно са вратилом чине ротор који се ослања на лежишта.
Пара под високим притиском наилази прво на непокретне лопатице преткола. Оне скрећу струју паре и усмеравају је под одређеним углом. При томе се канали између лопатица сужавају и тиме се врши убрзавање струје паре. Тако пара бива скренута и приметно убрзана. Укупна енергија паре остаје иста, али се њена кинетичка енергија повећала на рачун енергије услед притиска и температуре. Тако је пара сада раширена, на нижем притиску и температури него пре почетка процеса. Овако убрзана пара сада струји преко покретних лопатица радног кола које је само скрећу. Ова промена смера струјања паре доводи до стварања силе која гура лопатице супротно од правца промене брзине паре, а пошто се оне могу слободно окретати са вратилом, то узрокује обртање ротора. Пара сада излази са мањим притиском и температуром, што значи да је један део енергије предат ротору као механички рад. Затим пара одлази у наредни ступањ где се процес одвија из почетка, и тако све до последњег ступња и уласка у кондензатор.
Претходно описан процес се односи на акциони ступањ. Реакциони ступањ је онај код ког се пара у радном колу не само скреће, него и додатно убрзава.
Сваки од ове две врсте ступњева има своје мане и предности. Акциони ступњеви могу прерадити већу количину енергије при добром степену корисности, али се мора прибегавати специјалним конструкцијским решењима да би се смањио нежељени пролазак паре кроз зазоре између покретних и непокретних делова, што га чини и скупљим. Реакциони ступањ је једноставнији за израду али даје мању количину рада, па реакциона турбина мора имати већи број ступњева. Сврха постојања више ступњева је у следећем: ступањ се може израдити да убрзава пару до енормних брзина и да један ступањ прерађује огромну количину енергије; међутим, губици услед трења при овако великим брзинама би били јако велики - толики да би ступањ радио са изузетно ниским степеном корисности.
Поделе уреди
По начину струјања турбине се деле на аксијалне и радијалне, према смеру струјања паре у односу на осу обртања ротора. Код радијалних турбина пара струји управно на осу обртања. Све што је већ речено се односи и на овај тип турбине осим што овде центрифугална сила игра улогу и у поједностављеном процесу. Само мање машине се изводе као радијалне, док су велике, енергетске, искључиво аксијалног типа.
Према броју ступњева, турбомашине се деле на једноступне и вишеступне. Турбине великих снага имају око 30 ступњева.
Код већих снага, турбине се граде са већим бројем оклопа, тако да код великих машина имамо турбину ниског притиска, средњег притиска и ниског притиска са сопственим кућиштима и отворима за заједничко вратило. Највеће турбине се граде са два вратила и засебним генераторима.
Парне турбине, осим што могу бити кондензационе, где пара одлази у кондензатор, могу бити и противпритисне. Код противпритисних турбина пара на изласку из турбине има доста вишу температуру од околине и користи се за индустријске процесе и грејање санитарне воде.
Степен корисног дејства уреди
Степен корисности топлотних мотора представља однос добијеног рада и уложене топлоте по једном циклусу. Код конвенционалних постројења он се креће у распону 0.3 -0.4. Повећање степена корисности нам пружа могућност већег искоришћења полазне енергије. Степен корисности се може повећавати довођењем топлоте при вишим температурама и притисцима, што је условљено развојем нових конструкционих материјала. Исто тако, повишење степена корисности се постиже одузимањем једног дела паре из турбине за потребе загревања воде пред улазак у котао. Код конвенцијалних блокова велике снаге пара на улазу у турбину је температуре око 500 - 550 степена Целзијуса, са притиском од око 180 бара.
Регулација броја обртаја уреди
Регулација броја обртаја је кључна код турбина уопште. Код пуштања турбине у погон, нагла промена броја обртаја може бити фатална и узроковати трајна оштећења. При наглом смањењу оптерећења без учешћа регулације долази до наглог повећавања броја обртаја, све до разарања ротора.
Турбине коришћене у енергетици су директно повезане са генераторима електричне енергије, што значи да морају имати тачан број обртаја од 50Hz (3000 обрт/мин) и морају бити синхронизоване са електричном мрежом. Ово се односи на турбине са двополним генераторима. Турбине највећих снага имају четворополне генераторе и морају се обртати са учесталости од 25Hz.
Комбинована производња електричне и топлотне енергије уреди
Парне турбине се у енергетици често користе и за производњу топлоте, на пример за даљинско грејање. Ово се ради због тога што овакво постројење има већи укупан степен корисности производње топлоте и ел. енергије него код случаја одвојене производње. Већ смо споменули противпритисне турбине код којих се сва пара узима из турбине при вишим температурама и користи се за грејање и индустријске процесе. Често и кондензациона постројења имају одузимање једног дела паре за потребе грејања пре изласка из турбине.
Перспектива уреди
Иако парна турбина представља релативно застарео концепт механичке направе и при не тако футуристичким разматрањима, она неће бити скоро потиснута из енергетике. Многи напреднији принципи добијања електричне енергије имају ипак нижи степен корисности и доста већу цену. Чак и када буде потиснута у други план, парна турбина ће се примењивати за искоришћење отпадне топлоте будућих постројења. Ово се односи превасходно на гориве ћелије које се сматрају извором енергије будућности. За сада, коришћењем бољих процеса и развојем нових типова нуклеарних реактора парне турбине остају на водећој позицији. Такође је све чешћа њихова употреба у оквиру комбинованог постројења парне и гасне турбине, где се издувни гасови из гасне турбине, који су високе температуре, користе за загревање радног тела у парном постројењу. Овакво постројење има степен корисности око 0.6 и представља топлотни мотор са највећим степеном корисности.
Литература уреди
- Цоттон К.C. (1998). Евалуатинг анд Импровинг Стеам Турбине Перформанце.
- Парсонс Цхарлес А. (1911). Тхе Стеам Турбине. Университy Пресс, Цамбридге.
- Траупел W. (1977). Тхермисцхе Турбомасцхинен (на језику: Герман).
- Тхурстон Р. Х. (1878). А Хисторy оф тхе Гроwтх оф тхе Стеам Енгине. D. Апплетон анд Цо.
