汽轮机和发电

汽轮机和发电

汽轮机是一种将加压蒸汽的热能转化为有用的机械功的机械装置。它是发电厂的心脏。它具有更高的热力学效率和更低的功率重量比。由于在蒸汽膨胀过程中使用了多个阶段，因此它获得了大部分热力学效率，从而更接近理想的可逆过程。蒸汽轮机是用于驱动发电机的最通用和最古老的原动机技术之一。使用蒸汽轮机发电已经使用了 100 多年。涡轮发电机是直接连接到发电机以产生电力的涡轮机的组合。大部分电力由大型蒸汽发电机提供。

蒸汽轮机是发电厂中使用的超大功率配置的理想选择，因为它们具有更高的效率和更低的成本。在发电厂中，蒸汽轮机连接到发电机以产生电力。涡轮机通过为发电机提供旋转运动作为系统的机械侧，而发电机通过利用电和磁定律产生电力作为电力侧。

在蒸汽轮机中，转子是带有轮子和叶片的旋转部件。叶片是从蒸汽中提取能量的部件。以化石燃料为动力的蒸汽轮机发电装置的典型示意图如图 1 所示

 图1汽轮机发电示意图

能量转换过程

蒸汽具有以下三种能量成分

• 动能——由于它的速度
• 压力能量 - 凭借其压力
• 内能 - 取决于它的温度

能量的最后两个分量一起称为焓。蒸汽的总能量可以表示为动能和焓之和。

使用蒸汽轮机发电涉及三个能量转换，从燃料中提取热能并使用它来产生蒸汽，将蒸汽的热能转换为涡轮机中的动能，以及使用旋转发电机将涡轮机的机械能转换为电能.

高压蒸汽被送入涡轮机，并沿机器轴线通过多排交替固定和移动的叶片。从涡轮的进汽口到排气点，叶片和涡轮腔逐渐变大，以允许蒸汽膨胀。

固定叶片充当喷嘴，其中蒸汽膨胀并以更高的速度但更低的压力出现（伯努利能量守恒原理，即动能随着压力能的下降而增加）。当蒸汽冲击动叶片时，它会将部分动能传递给动叶片。

涡轮机可以是冷凝式、非冷凝式、再热式、抽气式或感应式。冷凝式涡轮机通常用于发电厂。这些涡轮机在远低于大气压的压力下将部分冷凝状态的蒸汽（通常质量接近 90%）排放到冷凝器。非冷凝式涡轮机也称为背压式涡轮机，最广泛用于工艺蒸汽应用。排气压力由调节阀控制，以适应工艺蒸汽压力的需要。这些通常用于需要大量低压工艺蒸汽的行业。再热涡轮机也几乎专门用于发电厂。在再热汽轮机中，蒸汽流从汽轮机的高压部分流出并返回到锅炉，在锅炉中增加了额外的过热度。然后蒸汽返回涡轮机的中间压力部分并继续膨胀。在抽汽式涡轮机中，蒸汽从一个或多个级以一种或多种压力提取，用于加热、工厂过程或给水加热器的需要。这些涡轮机也称为泄放涡轮机。提取流量可以用阀门控制，也可以不受控制。感应涡轮机在中间阶段引入低压蒸汽以产生额外的动力。
有两种基本的蒸汽涡轮机类型，即脉冲涡轮机和反应涡轮机。叶片设计用于控制蒸汽通过涡轮时的速度、方向和压力。

在脉冲设计中，转子由于叶片上的蒸汽力而转动，而反作用设计的工作原理是转子在离开叶片时从蒸汽中获得旋转力。

为了最大限度地提高涡轮机效率，蒸汽在多个阶段膨胀，产生功。这些阶段的特点是如何从中提取能量，被称为脉冲或反作用涡轮机。大多数蒸汽轮机混合使用反作用力和脉冲设计。每个阶段都表现为一个或另一个，但整个涡轮机同时使用两者。通常，高压段为脉冲型，低压段为反应型。
脉冲涡轮具有固定喷嘴，可将蒸汽流导向高速射流。这些射流包含大量动能，当蒸汽射流改变方向时，动能被桶状转子叶片转化为轴旋转。压降仅发生在固定叶片上，蒸汽速度在整个阶段净增加。当蒸汽流过喷嘴时，它的压力从入口压力下降到出口压力（大气压，或者更常见的是冷凝器真空）。由于蒸汽的这种高膨胀率，蒸汽以非常高的速度离开喷嘴。离开动叶片的蒸汽在离开喷嘴时具有蒸汽的最大速度的大部分。这种较高的出口速度导致的能量损失通常称为结转速度或离开损失。

在反作用涡轮机中，转子叶片本身被布置成会聚喷嘴。这种类型的涡轮机利用蒸汽通过转子形成的喷嘴加速时产生的反作用力。蒸汽通过定子的固定叶片引导到转子上。它以喷射流的形式离开定子，充满转子的整个圆周。然后蒸汽改变方向并相对于叶片的速度增加其速度。定子和转子都发生压降，蒸汽通过定子加速并通过转子减速，整个阶段的蒸汽速度没有净变化，但压力和温度都下降，反映了在转子的驱动。

两种类型的涡轮机如图2所示。

图 2 涡轮机的类型

图 3 总结了锅炉汽轮机循环。

图 3 一个简单的锅炉汽轮机循环

如图 4 所示，蒸汽轮机使用兰金循环根据热力学的基本原理运行。离开锅炉后，过热蒸汽在高温高压下进入涡轮机。使用喷嘴（脉冲式涡轮机中的固定喷嘴或反应式涡轮机中的固定叶片）将高压蒸汽转化为动能。一旦蒸汽离开喷嘴，它就会高速移动并被送到涡轮机的叶片上。由于叶片上的蒸汽压力导致叶片移动，因此在叶片上产生了一个力。发电机或其他类似装置可以放置在轴上，蒸汽中的能量现在可以存储和使用。气体以饱和蒸汽的形式离开涡轮机，其温度和压力低于其进入时的温度和压力，并被送往冷凝器进行冷却。

图4兰金循环T-s图

涡轮机排出的蒸汽在冷凝器中冷凝成水，冷凝器从蒸汽中提取汽化潜热。这会导致蒸汽的体积变为零，从而将压力显着降低至接近真空的条件，从而增加涡轮机的压降，从而能够从蒸汽中提取最大量的能量。冷凝水然后被泵回锅炉作为给水再次使用。

调速器是一种控制涡轮转速的装置。带有调速器的涡轮机的速度控制是必要的，因为涡轮机需要缓慢启动以防止损坏，并且交流电的产生需要精确的速度控制。涡轮转子不受控制的加速会导致超速跳闸，从而导致控制蒸汽流向涡轮的喷嘴阀关闭。如果这失败了，那么涡轮机可能会继续加速，直到它破裂，通常是灾难性的。现代涡轮机有一个电子调速器，它使用传感器通过“观察”转子齿来监测涡轮机速度。

汽轮机驱动发电机，将机械能转化为电能。发电机是旋转磁场同步电机。蒸汽轮机直接连接到它们的发电机。发电机必须根据电力系统的频率以恒定的同步速度旋转。对于频率为 50 Hz 的电力系统，最常见的速度是 3,000 RPM。这些大容量发电机的能量转换效率可高达 98 % 或超大型机器的 99 %。