توربينات البخار: كيف يتحول البخار الساخن إلى كهرباء

لا يزال العلماء يكافحون من أجل إيجاد أكثر الطرق فعالية لتوليد التيار - فقد اندفع التقدم من الخلايا الجلفانية إلى أول الدينامو ، والبخار ، والطاقة النووية ، والآن محطات توليد الطاقة من الرياح والطاقة الهيدروجينية. في الوقت الحاضر ، تظل الطريقة الأكثر ضخامة وملاءمة لتوليد الكهرباء هي مولد يعمل بواسطة التوربينات البخارية.

تم اختراع التوربينات البخارية قبل وقت طويل من فهم الإنسان لطبيعة الكهرباء. في هذا المنشور ، سنتحدث بشكل مبسط عن بنية التوربينات البخارية وتشغيلها ، وفي الوقت نفسه نتذكر كيف كان العالم اليوناني القديم قبل خمسة عشر قرنًا من الزمن ، وكيف حدث الانقلاب في هندسة التوربينات ، ولماذا تعتقد توشيبا أنه ينبغي تصنيع التوربينات التي يبلغ طولها 30 مترًا بدقة 0.005 ملم.

كيف يعمل التوربينات البخارية

مبدأ تشغيل التوربينات البخارية بسيط نسبيًا ، ولم يتغير هيكلها الداخلي بشكل أساسي منذ أكثر من قرن. لفهم مبدأ تشغيل التوربينات ، سننظر في كيفية عمل محطة توليد الطاقة الحرارية - وهو المكان الذي يتم فيه تحويل الوقود الأحفوري (الغاز والفحم وزيت الوقود) إلى كهرباء.

التوربينات البخارية نفسها لا تعمل ، فهي تحتاج إلى البخار لتعمل. لذلك ، تبدأ محطة توليد الطاقة بغلاية يتم فيها حرق الوقود ، مما يؤدي إلى إطلاق الحرارة على الأنابيب مع اختراق الماء المقطر للغلاية. في هذه الأنابيب الرقيقة ، يتحول الماء إلى بخار.


مخطط واضح لتشغيل محطة توليد الطاقة الحرارية ، وتوليد الكهرباء والحرارة لتدفئة المنازل. المصدر: موسنرغو

التوربين هو عمود (دوار) ذو شفرات متباعدة شعاعيًا ، مثل مروحة كبيرة. يتم تثبيت الجزء الثابت خلف كل قرص من هذا القبيل - قرص مشابه ذو شفرات ذات شكل مختلف ، لا يتم تثبيته على العمود ، ولكن على جسم التوربين ، وبالتالي يبقى ثابتًا (ومن ثم يكون الجزء الثابت باسم الاسم).

يُطلق على زوج من القرص الدوار ذي الشفرات والجزء الثابت خطوة. هناك العشرات من المراحل في توربين بخاري واحد - لا تقم بفك العمود الفقري الثقيل للتوربينات بكتلة من 3 إلى 150 طن عن طريق تمرير البخار عبر مرحلة واحدة فقط ، لذلك يتم تجميع المراحل في سلسلة لاستخراج الطاقة القصوى المحتملة للبخار.

يتم توفير البخار عند درجة حرارة عالية للغاية وتحت ضغط عالٍ إلى مدخل التوربينات. يميز ضغط البخار التوربينات ذات الضغط المنخفض (ما يصل إلى 1.2 ميجا باسكال) ، المتوسط ​​(حتى 5 ميجا باسكال) ، عالية (تصل إلى 15 ميجا باسكال) ، الضغط العالي (15-22.5 ميجا باسكال) والضغط فوق الحرج (أكثر من 22.5 ميجا باسكال). للمقارنة ، يبلغ الضغط داخل زجاجة الشمبانيا حوالي 0.63 ميجا باسكال ، في إطار سيارة ركاب - 0.2 ميجا باسكال.

كلما زاد الضغط ، ارتفعت درجة غليان الماء ، مما يعني درجة حرارة البخار. يتم تسخين البخار إلى 550-560 درجة مئوية في مدخل التوربينات! لماذا كثيرا؟ عند مروره عبر التوربينات ، يمتد البخار للحفاظ على معدل التدفق ويفقد درجة الحرارة ، لذلك تحتاج إلى وجود هامش. لماذا لا ارتفاع درجة حرارة البخار أعلاه؟ حتى وقت قريب ، كان هذا يعتبر معقدًا للغاية وبلا معنى - أصبح التحميل على التوربينات والغلاية أمرًا بالغ الأهمية.

تحتوي التوربينات البخارية لمحطات الطاقة عادةً على عدة أسطوانات مزودة بشفرات يتم فيها توفير بخار عالي ومتوسط ​​ومنخفض الضغط. أولاً ، يمر البخار عبر الأسطوانة ذات الضغط العالي ، ويدور التوربين ، وفي الوقت نفسه يغير معالمه عند المخرج (انخفاض الضغط ودرجة الحرارة) ، وبعد ذلك يذهب إلى الأسطوانة ذات الضغط المتوسط ​​، ومن هناك الضغط المنخفض. الحقيقة هي أن خطوات البخار ذات المعلمات المختلفة لها أحجام وأشكال مختلفة من الشفرات من أجل استخراج طاقة البخار بشكل أكثر كفاءة.

ولكن هناك مشكلة - عندما تنخفض درجة الحرارة إلى نقطة التشبع ، يبدأ البخار في التشبع ، وهذا يقلل من كفاءة التوربينات. لمنع ذلك ، يتم إعادة تسخين البخار في الغلاية بعد الأسطوانة العالية وقبل أن تدخل أسطوانة الضغط المنخفض. وتسمى هذه العملية الانهاك المتوسط ​​(الانهاك الصناعي).

يمكن أن يكون هناك عدة اسطوانات من الضغط المتوسط ​​والمنخفض في التوربينات واحد. يمكن توفير البخار لهم على حد سواء من حافة الاسطوانة ، ويمر جميع الشفرات بالتتابع ، وفي الوسط ، متباعدًا إلى الحواف ، مما يؤدي إلى زيادة الحمل على العمود.

يتم توصيل عمود الدوران للتوربين بمولد كهربائي. من أجل الحصول على التردد المطلوب في الكهرباء في الشبكة ، يجب أن يتم تدوير مهاوي المولدات والتوربينات بسرعة محددة بدقة - في روسيا ، تردد التيار في الشبكة 50 هرتز ، وتعمل التوربينات بسرعة 1500 أو 3000 دورة في الدقيقة.

وببساطة ، فكلما زاد استهلاك الكهرباء التي تنتجها محطة توليد الكهرباء ، كلما قاوم المولد الدوران الأقوى ، لذلك يتعين عليك توفير تدفق أكبر من البخار للتوربين. تستجيب وحدات التحكم في سرعة التوربينات على الفور لتغيرات الحمل والتحكم في تدفق البخار بحيث تحافظ التوربينات على سرعة ثابتة. إذا انخفض الحمل في الشبكة ولم يقلل المنظم من كمية البخار المزودة ، سيزيد التوربين من السرعة والانهيار بسرعة - في حالة حدوث مثل هذا الحادث ، فإن الشفرات تخترق بسهولة جسم التوربين وسقف محطة الطاقة الحرارية وتتطاير بعيدًا لعدة كيلومترات.

كيف جاءت التوربينات البخارية

حول القرن الثامن عشر قبل الميلاد ، كانت البشرية قد ترويضت بالفعل طاقة العناصر ، وحولتها إلى طاقة ميكانيكية لأداء أعمال مفيدة - كانت هذه طواحين الهواء البابلية. بحلول القرن الثاني قبل الميلاد. ه. ظهرت طواحين المياه في الإمبراطورية الرومانية ، التي كانت عجلاتها مدفوعة بتيار لا ينتهي من الماء من الأنهار والجداول. وبالفعل في القرن الأول الميلادي ه. رجل ترويض الطاقة الكامنة في بخار الماء ، مع مساعدتها في تحريك النظام من صنع الإنسان.


يعد Eolipilus of Geron of Alexandria هو التوربين البخاري الأول والوحيد التفاعلي على مدار القرون الخمسة عشر التالية. المصدر: قاموس الميكانيكية الأمريكية / ويكيميديا

وصف عالم الرياضيات والميكانيكي اليوناني جيرون في الإسكندرية الآلية الغريبة لل eolipil ، وهي كرة مثبتة على المحور مع أنابيب منبثقة منها بزاوية. خرج البخار الذي دخل الكرة من الغلاية المغلية من الأنابيب بقوة ، مما تسبب في تدوير الكرة. بدت الآلة التي ابتكرها هيرون في ذلك الوقت وكأنها لعبة عديمة الفائدة ، ولكن في الحقيقة ، صمم العالم القديم أول توربينات بخارية نفاثة ، وقدرت إمكاناتها فقط بعد خمسة عشر قرناً. نسخة طبق الأصل من eolipil لها سرعة تصل إلى 1500 دورة في الدقيقة.

في القرن السادس عشر ، قام عالم الفلك السوري تقي الدين الشامي بتكرار اختراع هيرون المنسي جزئيًا ، ولكن بدلاً من الكرة ، تم تحريك عجلة الحركة ، والتي انطلق البخار منها مباشرة من المرجل. في عام 1629 ، اقترح المهندس المعماري الإيطالي جيوفاني برانكا فكرة مماثلة: دارت مجموعة من البخار عجلة مجداف ، والتي يمكن تكييفها لميكنة المنشرة.


قامت التوربينات البخارية النشيطة من برانكا ببعض الأعمال المفيدة على الأقل - إنها "تعمل آليًا" على قذيفتي هاون.

على الرغم من وصف العديد من مخترعي الآلات التي تعمل على تحويل طاقة البخار إلى عمل ، إلا أنها كانت بعيدة عن التنفيذ المفيد - تقنيات ذلك الوقت لم تسمح بإنشاء توربينات بخارية ذات قدرة قابلة للتطبيق عمليًا.

ثورة التوربينات

لسنوات عديدة ، ابتكر المخترع السويدي غوستاف لافال فكرة إنشاء محرك معين يمكنه تدوير المحور بسرعة كبيرة - وهذا مطلوب لتشغيل جهاز فصل الحليب لافال. بينما كان الفاصل يعمل من "محرك يدوي": قام نظام الترس بتحويل 40 دورة في الدقيقة على المقبض إلى 7000 دورة في الدقيقة في الفاصل. في عام 1883 ، نجح لافال في تكييف جهاز هيرون eolipil ، حيث تم تزويد المحرك بفاصل حليب. كانت الفكرة جيدة ، لكن الاهتزازات والتكلفة المروعة المرتفعة وعدم الكفاءة الاقتصادية للتوربينات البخارية أجبرت المخترع على العودة إلى الحسابات.

ظهرت عجلة التوربينات Laval في عام 1889 ، لكن تصميمها ظل حتى يومنا هذا بدون تغيير تقريبًا.

بعد سنوات من التجارب المؤلمة ، تمكنت لافال من صنع توربينات بخار أحادية القرص نشطة. تم تزويد البخار بالقرص ذو الشفرات المكونة من أربعة أنابيب مع وجود فتحات تحت الضغط. عند توسيع الفوهات وتسريعها ، وصل البخار إلى نصل القرص ، مما أدى إلى تشغيل القرص. بعد ذلك ، أطلق المخترع أول توربينات متوفرة تجارياً بقوة 3.6 كيلو وات ، وتوربينات متصلة بالدينامو لتوليد الكهرباء ، كما حصل على براءة اختراع للعديد من الابتكارات في تصميم التوربينات ، بما في ذلك جزء لا يتجزأ من عصرنا كمكثف بخار. على الرغم من البداية الصعبة ، سارت الأمور في وقت لاحق مع غوستاف لافال بشكل جيد: ترك شركته السابقة لإنتاج الفواصل ، أسس شركة مساهمة وبدأ في زيادة قدرة الوحدات.

بالتوازي مع لافال ، أجرى أبحاثه في مجال التوربينات البخارية الإنجليزي السير تشارلز بارسونز ، الذي كان قادرًا على إعادة التفكير في أفكار لافال واستكمالها بنجاح. إذا استخدم الأول قرصًا واحدًا به شفرات في التوربين الخاص به ، فقد حصل بارسونز على براءة اختراع لتوربين متعدد المراحل بعدة أقراص متسلسلة ، وبعد ذلك بقليل أضاف إحصائيات ثابتة إلى الهيكل لموازنة التدفق.

كان لتوربين بارسونز ثلاث أسطوانات متتالية لبخار الضغط العالي والمتوسط ​​والمنخفض مع هندسة شفرة مختلفة. إذا كان لافال يعتمد على توربينات نشطة ، فقد قام بارسونز بإنشاء مجموعات تفاعلية.

في عام 1889 ، باعت بارسونز عدة مئات من توربيناتها لكهربة المدن ، وبعد خمس سنوات أخرى ، تم بناء السفينة التجريبية Turbinia ، بتطوير سرعة تبلغ 63 كم / ساعة لم يكن من الممكن الوصول إليها في السابق للمحركات البخارية. بحلول بداية القرن العشرين ، أصبحت التوربينات البخارية واحدة من المحركات الرئيسية لكهربة الكوكب السريعة.


الآن يتم عرض "Turbinia" في متحف في نيوكاسل. إيلاء الاهتمام لعدد من البراغي. المصدر: تواموير / ويكيميديا

توربينات توشيبا - طريق طويل الأمد

أجبر التطور السريع في السكك الحديدية المكهربة وصناعة النسيج في اليابان الدولة على الاستجابة لزيادة استهلاك الكهرباء من خلال بناء محطات جديدة للطاقة. في الوقت نفسه ، بدأ العمل في تصميم وإنتاج التوربينات البخارية اليابانية ، والتي تم تسليم أولها لاحتياجات البلاد في عشرينيات القرن العشرين. توشيبا (في تلك السنوات: طوكيو Denki و Shibaura Seisaku-sho) انضموا أيضًا إلى القضية.

تم إصدار أول توربين من Toshiba في عام 1927 ، وكان له قدرة متواضعة تبلغ 23 كيلوواط. في غضون عامين ، غادرت جميع توربينات البخار المصنعة في اليابان مصانع توشيبا ، وتم إطلاق وحدات بسعة إجمالية تبلغ 7500 كيلوواط. بالمناسبة ، بالنسبة لأول محطة يابانية للطاقة الحرارية الأرضية ، تم افتتاحها في عام 1966 ، قامت توشيبا أيضًا بتزويد التوربينات البخارية. بحلول عام 1997 ، كانت قدرة توربينات Toshiba الإجمالية تبلغ 100000 ميجاوات ، وبحلول عام 2017 ، نمت عمليات التسليم كثيرًا بحيث بلغت السعة المكافئة 200000 ميجاوات.

هذا الطلب يرجع إلى دقة التصنيع. يدور الدوار الذي يصل وزنه إلى 150 طنًا بسرعة 3600 دورة في الدقيقة ، وأي خلل سيؤدي إلى اهتزازات وحوادث. تتم موازنة الدوار بدقة 1 غرام ، ويجب ألا تتجاوز الانحرافات الهندسية 0.01 مم عن القيم المستهدفة. تساعد معدات CNC في تقليل الانحرافات في إنتاج التوربينات إلى 0.005 مم - وهذا هو الفرق مع المعلمات المستهدفة بين موظفي Toshiba يعتبر شكلاً جيدًا ، على الرغم من أن الخطأ الآمن المسموح به هو أكبر من الحجم. أيضًا ، يجب أن يخضع كل توربين لاختبار الإجهاد بسرعات متزايدة - بالنسبة للوحدات عند 3600 دورة في الدقيقة ، يوفر الاختبار تسارعًا إلى 4320 دورة في الدقيقة.


صورة جيدة لفهم أبعاد مراحل الضغط المنخفض للتوربينات البخارية. هنا فريق من أفضل أسياد مصنع منتجات Toshiba Keihin. المصدر: توشيبا

كفاءة التوربينات البخارية

التوربينات البخارية جيدة في ذلك مع زيادة حجمها ، تزداد الطاقة المولدة والكفاءة بشكل ملحوظ. من المربح اقتصاديًا تركيب وحدة واحدة أو عدة وحدات في محطة طاقة حرارية كبيرة ، يمكن توزيع الكهرباء منها عبر شبكات المسافات الطويلة بدلاً من بناء محطات طاقة حرارية محلية مزودة بتوربينات صغيرة تعمل بالطاقة من مئات الكيلوواط إلى عدة ميجاوات. والحقيقة هي أنه مع انخفاض في الحجم والطاقة ، تزداد تكلفة التوربينات من حيث كيلووات في بعض الأحيان ، وتنخفض الكفاءة مرتين أو ثلاث مرات.

الكفاءة الكهربائية للتوربينات التكثيف مع ارتفاع درجة الحرارة تختلف في مستوى 35-40 ٪. كفاءة محطات الطاقة الحرارية الحديثة يمكن أن تصل إلى 45 ٪.



إذا قارنت هذه المؤشرات بنتائج الجدول ، فقد تبين أن التوربينات البخارية هي واحدة من أفضل الطرق لتلبية الاحتياجات الكبيرة للكهرباء. الديزل هي قصة "منزلية" ، وطواحين الهواء مكلفة ومنخفضة الطاقة ، ومحطات الطاقة الكهرومائية مكلفة للغاية وذات مرجعية جغرافية ، وخلايا الوقود الهيدروجينية ، التي كتبنا عنها بالفعل ، هي وسيلة جديدة ، بل متحركة ، لتوليد الكهرباء.

حقائق مثيرة للاهتمام

التوربينات البخارية الأقوى : يمكن ارتداء مثل هذا اللقب بحق عن طريق منتجين في آن واحد - شركة Siemens الألمانية SST5-9000 والتوربينات المصنعة من قبل ARABELLE ، المملوكة لشركة American General Electric. توفر كلا التوربينات المتكثفة ما يصل إلى 1900 ميجاوات من الطاقة. تحقيق هذه الإمكانية ممكن فقط في محطات الطاقة النووية.


سجل التوربينات Siemens SST5-9000 بسعة 1900 ميجاوات. رقم قياسي ، لكن الطلب على هذه الطاقة صغير جدًا ، لذلك تتخصص Toshiba في الوحدات بنصف الطاقة. المصدر: سيمنز

تم إنشاء أصغر توربين بخاري في روسيا قبل عامين فقط من قبل مهندسي جامعة Ural Federal - PTM-30 بقطر نصف متر فقط ، وتبلغ طاقته 30 كيلوواط. يمكن استخدام الطفل في الإنتاج المحلي للكهرباء عن طريق استخدام البخار الزائد المتبقي من العمليات الأخرى من أجل الحصول على فائدة اقتصادية منه ، وعدم إطلاقه في الجو.


يعد PTM-30 الروسي أصغر توربينات بخارية في العالم لتوليد الكهرباء. المصدر: UrFU

التطبيق الأكثر نجاحًا للتوربينات البخارية هو قاطرات البخار - قاطرات البخار التي يدخل فيها البخار من المرجل إلى التوربين ، ثم يتحرك القاطرة على محركات كهربائية أو بسبب ناقل حركة ميكانيكية. من الناحية النظرية ، وفرت التوربينات البخارية عدة مرات أكثر كفاءة من قاطرة البخار التقليدية. في الواقع ، تبين أن قاطرة التوربو البخارية تعرض مزاياها ، مثل السرعة العالية والموثوقية ، فقط بسرعات تزيد عن 60 كم / ساعة. في السرعات المنخفضة ، يستهلك التوربين الكثير من البخار والوقود. جربت الولايات المتحدة والدول الأوروبية التوربينات البخارية على القاطرات ، لكن الموثوقية الرهيبة والكفاءة المريبة تقصر من عمر التوربينات البخارية كفئة إلى 10-20 سنة.


قطعت قاطرة التوربينات البخارية التي تعمل بالفحم C&O 500 كل رحلة تقريبًا ، ولهذا السبب بعد مرور عام على إطلاقها تم إرسالها للخردة. المصدر: ويكيميديا