Раздел 3. Паровые и газовые турбины

Развитие электрических станций в 90-е годы XIX века потребовало создания более мощного и рационального теплового двигателя, каким явилась паровая турбина. С самого начала своего практического применения паровая турбина обладала рядом преимуществ по сравнению с паровой машиной. Она гораздо проще и удобнее осуществляла принцип непрерывного вращательного движения, чем поршневая паровая машина. Турбина могла развивать скорость вращения рабочего вала до значений, исчислявшихся десятками тысяч оборотов в минуту, практически недоступных для паровой машины. Наконец, мощность паровой турбины намного превосходила мощность паровой машины значительно больших габаритов (см. вторую книгу).

Исключительно важным достоинством паровой турбины оказалось удобство ее соединения с электрическим генератором без применения каких-либо промежуточных передач. Турбина легко переносила перегрузки, легко регулировалась по частоте вращения. В сочетании с более высоким к.п.д. турбины, особенно при больших нагрузках, все эти качества и сделали паровую, а позднее и газовую турбину основными приводными двигателями электрогенераторов.

Собственно газовая турбина является такой же лопаточной машиной, что и паровая: в обоих случаях механическая энергия вращения ротора генерируется в результате трансформации на его лопатках кинетической энергии потока рабочего тела (рис. 3.1).

По сути, различаются эти турбины лишь рабочим телом. Если в паровой турбине таковым обычно является водяной пар, то в газовой турбине – газ, т.е. рабочее тело, не изменяющее своего агрегатного состояния в цикле (чаще всего это продукты сгорания или их смесь с воздухом или паром). Для образования каждого из этих рабочих тел требуются определенные комплексы дополнительных агрегатов, образующих вместе с турбиной установку: паротурбинную (ПТУ) – при работе на паре и газотурбинную (ГТУ) – при работе на газе, а также парогазовую (ПГУ) – при работе на паре и газе.

Рис. 3.1. Турбина и ее рабочий процесс: 1 — сопловые лопатки; 2,3 — рабочие лопатки; 4—поток рабочего тела

Газотурбинная установка (ГТУ) обладает существенно большими возможностями достижения высокого к.п.д. по сравнению с паротурбинной установкой (ПТУ) благодаря значительно большей температуре рабочего тела (верхней температуре цикла). При этом ей свойственен ряд других конструктивных и эксплуатационных преимуществ перед существующими тепловыми двигателями (ротационными и поршневыми): она может быть выполнена с агрегатной мощностью, сопоставимой с мощностью современных паровых турбин, и при этом позволяет за счет меньшего удельного веса значительно сократить затраты металла на сооружение электростанции (в 5–10 раз), за счет меньших габаритов сократить требуемую площадь и кубатуру помещений для установки оборудования (в 2–3 раза, а в ряде случаев и больше), обеспечить быстрый запуск установки и ее высокую маневренность за счет присущих ГТУ динамических характеристик, надежно и экономично работать на различных видах жидкого и газообразного топлива, сократить в 4–5 раз потребность в охлаждающей воде, а также за счет высокой надежности упростить эксплуатацию, уменьшив в связи с этим расходы на техобслуживание и потребность в обслуживающем персонале. При высокой технологичности газотурбинный двигатель хорошо приспособлен к автоматизации и обладает возможностью агрегатного ремонта, а система его регулирования и защиты обеспечивает в высокой степени постоянство электрической частоты энергосистемы.

Структура современной мировой энергетики включает в качестве основного оборудования тепловых электростанций паровые, газовые, парогазовые и газопаровые установки. При этом наблюдается тенденция увеличения доли парогазовых (ПГУ) и газотурбинных установок (ГТУ) в общем балансе мощности тепловых электростанций.