Dampfturbinen: Wie heißer Dampf zu Elektrizität wird

Wissenschaftler kämpfen immer noch darum, die effektivsten Wege zur Stromerzeugung zu finden - der Fortschritt hat sich von den galvanischen Zellen zu den ersten Dynamos, Dampf-, Atom- und jetzt Solar-, Wind- und Wasserstoffkraftwerken beschleunigt. Heutzutage bleibt der massivste und bequemste Weg zur Stromerzeugung ein Generator, der von einer Dampfturbine angetrieben wird.

Dampfturbinen wurden erfunden, lange bevor der Mensch die Natur der Elektrizität verstand. In diesem Beitrag werden wir vereinfacht über den Aufbau und den Betrieb einer Dampfturbine sprechen und uns gleichzeitig daran erinnern, wie der antike griechische Wissenschaftler fünfzehn Jahrhunderte zuvor war, wie der Putsch in der Turbinentechnik stattfand und warum Toshiba der Ansicht ist, dass eine 30-Meter-Turbine mit einer Genauigkeit von 0,005 mm hergestellt werden sollte.

Wie eine Dampfturbine funktioniert

Das Funktionsprinzip einer Dampfturbine ist relativ einfach und ihre innere Struktur hat sich seit mehr als einem Jahrhundert nicht grundlegend geändert. Um das Funktionsprinzip einer Turbine zu verstehen, werden wir untersuchen, wie ein Wärmekraftwerk funktioniert - ein Ort, an dem fossile Brennstoffe (Gas, Kohle, Heizöl) in Elektrizität umgewandelt werden.

Die Dampfturbine selbst funktioniert nicht, sie benötigt Dampf, um zu funktionieren. Daher beginnt das Kraftwerk mit einem Kessel, in dem Brennstoff verbrannt wird, der Wärme an die Rohre abgibt, wobei destilliertes Wasser in den Kessel eindringt. In diesen dünnen Rohren verwandelt sich Wasser in Dampf.


Ein klares Schema für den Betrieb eines Wärmekraftwerks, das sowohl Strom als auch Wärme zum Heizen von Häusern erzeugt. Quelle: Mosenergo

Die Turbine ist eine Welle (Rotor) mit radial beabstandeten Schaufeln wie ein großer Lüfter. Hinter jeder solchen Scheibe befindet sich ein Stator - eine ähnliche Scheibe mit Schaufeln unterschiedlicher Form, die nicht auf der Welle, sondern auf dem Turbinenkörper montiert ist und daher stationär bleibt (daher der Name - Stator).

Ein Paar einer rotierenden Scheibe mit Schaufeln und einem Stator wird als Schritt bezeichnet. In einer Dampfturbine gibt es Dutzende von Stufen. Drehen Sie die schwere Welle einer Turbine mit einer Masse von 3 bis 150 Tonnen nicht auf, indem Sie Dampf durch nur eine Stufe leiten. Daher werden die Stufen in Reihe gruppiert, um die maximale potentielle Energie des Dampfes zu extrahieren.

Dem Turbineneinlass wird Dampf mit einer sehr hohen Temperatur und unter hohem Druck zugeführt. Der Dampfdruck unterscheidet Turbinen mit niedrigem (bis zu 1,2 MPa), mittlerem (bis zu 5 MPa), hohem (bis zu 15 MPa), ultrahohem (15-22,5 MPa) und überkritischem (über 22,5 MPa) Druck. Zum Vergleich: Der Druck in der Champagnerflasche beträgt im Autoreifen eines Personenkraftwagens etwa 0,63 MPa - 0,2 MPa.

Je höher der Druck, desto höher der Siedepunkt von Wasser, dh die Temperatur des Dampfes. Der auf 550-560 ° C überhitzte Dampf wird dem Turbineneinlass zugeführt! Warum so viel? Beim Durchgang durch die Turbine dehnt sich der Dampf aus, um die Durchflussrate aufrechtzuerhalten, und verliert an Temperatur. Sie müssen also einen Spielraum haben. Warum nicht den Dampf oben überhitzen? Bis vor kurzem galt dies als äußerst komplex und bedeutungslos - die Belastung der Turbine und des Kessels wurde kritisch.

Dampfturbinen für Kraftwerke haben traditionell mehrere Zylinder mit Schaufeln, in die Hoch-, Mittel- und Niederdruckdampf eingespeist werden. Zunächst strömt der Dampf durch den Hochdruckzylinder, dreht die Turbine und ändert gleichzeitig seine Parameter am Auslass (Druck- und Temperaturabfall), wonach er in den Mitteldruckzylinder und von dort in den Niederdruck gelangt. Tatsache ist, dass die Schritte für Dampf mit unterschiedlichen Parametern unterschiedliche Größen und Formen der Schaufeln haben, um die Energie des Dampfes effizienter zu extrahieren.

Es gibt jedoch ein Problem: Wenn die Temperatur auf den Sättigungspunkt abfällt, beginnt der Dampf zu sättigen, was den Wirkungsgrad der Turbine verringert. Um dies zu verhindern, wird der Dampf im Kessel nach dem Hochzylinder und vor dem Eintritt in den Niederdruckzylinder wieder erwärmt. Dieser Vorgang wird als Zwischenüberhitzung (industrielle Überhitzung) bezeichnet.

In einer Turbine können sich mehrere Zylinder mit mittlerem und niedrigem Druck befinden. Sie können sowohl vom Rand des Zylinders über alle Schaufeln nacheinander als auch in der Mitte, die zu den Rändern divergiert, mit Dampf versorgt werden, wodurch die Belastung der Welle ausgeglichen wird.

Die rotierende Welle der Turbine ist mit einem elektrischen Generator verbunden. Damit der Strom im Netz die erforderliche Frequenz hat, müssen sich die Generator- und Turbinenwellen mit einer genau definierten Drehzahl drehen. In Russland hat der Strom im Netz eine Frequenz von 50 Hz und die Turbinen arbeiten mit 1500 oder 3000 U / min.

Einfach ausgedrückt: Je höher der Stromverbrauch eines Kraftwerks ist, desto stärker widersteht der Generator der Rotation, sodass Sie der Turbine einen größeren Dampfstrom zuführen müssen. Turbinendrehzahlregler reagieren sofort auf Laständerungen und steuern den Dampfstrom so, dass die Turbine eine konstante Drehzahl beibehält. Wenn die Last im Netz abfällt und der Regler die zugeführte Dampfmenge nicht verringert, erhöht die Turbine schnell die Drehzahl und kollabiert. Im Falle eines solchen Unfalls dringen die Schaufeln leicht in den Turbinenkörper, das Dach des Wärmekraftwerks ein und fliegen mehrere Kilometer auseinander.

Wie es zu Dampfturbinen kam

Um das 18. Jahrhundert v. Chr. Hatte die Menschheit bereits die Energie der Elemente gezähmt und sie in mechanische Energie umgewandelt, um nützliche Arbeit zu leisten - dies waren babylonische Windmühlen. Bis zum II Jahrhundert v. e. Im Römischen Reich entstanden Wassermühlen, deren Räder von einem endlosen Wasserstrahl aus Flüssen und Bächen angetrieben wurden. Und schon im 1. Jahrhundert nach Christus e. Der Mensch zähmte die potentielle Energie des Wasserdampfs und setzte mit seiner Hilfe das künstliche System in Bewegung.


Der Eolipilus von Geron von Alexandria ist die erste und einzige reaktive Dampfturbine für die nächsten 15 Jahrhunderte. Quelle: American Mechanical Dictionary / Wikimedia

Der griechische Mathematiker und Mechaniker Geron von Alexandria beschrieb den bizarren Mechanismus von Eolipil, einer Kugel, die an der Achse befestigt ist und von der Röhren in einem Winkel ausgehen. Der Dampf, der vom kochenden Kessel in die Kugel kam, trat mit Kraft aus den Rohren aus, wodurch sich die Kugel drehte. Die damals von Heron erfundene Maschine schien ein nutzloses Spielzeug zu sein, aber tatsächlich baute der alte Wissenschaftler die erste dampfbetriebene Turbine, die erst ein halbes Jahrhundert später war, um ihr Potenzial zu bewerten. Eine moderne Eolipil-Replik hat eine Geschwindigkeit von bis zu 1.500 U / min.

Im 16. Jahrhundert wiederholte der syrische Astronom Takiyuddin al-Shami die vergessene Erfindung des Reihers teilweise, aber anstelle einer Kugel wurde ein Rad in Bewegung gesetzt, auf dem Dampf direkt aus dem Kessel blies. Eine ähnliche Idee schlug der italienische Architekt Giovanni Branca 1629 vor: Ein Dampfstrom drehte ein Schaufelrad, das zur Mechanisierung des Sägewerks angepasst werden konnte.


Die aktive Dampfturbine von Branca hat zumindest einige nützliche Arbeiten ausgeführt - sie hat zwei Mörtel „automatisiert“.

Trotz der Beschreibung mehrerer Erfinder von Maschinen, die Dampfenergie in Arbeit umwandeln, war dies noch weit von einer nützlichen Implementierung entfernt - die damaligen Technologien ermöglichten es nicht, eine Dampfturbine mit praktisch anwendbarer Leistung zu schaffen.

Turbinenrevolution

Der schwedische Erfinder Gustaf Laval hatte viele Jahre lang die Idee, eine Art Motor zu entwickeln, der die Achse mit hoher Geschwindigkeit drehen kann - dies war für den Betrieb des Laval-Milchabscheiders erforderlich. Während der Abscheider von einem „Handantrieb“ aus arbeitete: Ein Zahnradsystem wandelte 40 U / min am Griff auf 7000 U / min im Abscheider um. Im Jahr 1883 gelang es Laval, Herons Eolipil anzupassen und den Motor mit einem Milchabscheider auszustatten. Die Idee war gut, aber die Vibrationen, die schrecklich hohen Kosten und die Unwirtschaftlichkeit der Dampfturbine zwangen den Erfinder, zu den Berechnungen zurückzukehren.

Das Laval-Turbinenrad erschien 1889, aber sein Design ist bis heute nahezu unverändert geblieben.

Nach Jahren schmerzhafter Versuche konnte Laval eine aktive Einscheiben-Dampfturbine entwickeln. Eine Scheibe mit Schaufeln aus vier Rohren mit unter Druck stehenden Düsen wurde mit Dampf versorgt. Der Dampf dehnte sich in den Düsen aus und beschleunigte, traf auf die Schaufel der Scheibe und setzte dadurch die Scheibe in Bewegung. Anschließend brachte der Erfinder die ersten im Handel erhältlichen Turbinen mit einer Leistung von 3,6 kW auf den Markt, verband Turbinen mit Dynamos zur Stromerzeugung und patentierte viele Innovationen bei der Konstruktion von Turbinen, einschließlich eines solchen integralen Bestandteils unserer Zeit als Dampfkondensator. Trotz eines schwierigen Starts lief es später mit Gustaf Laval gut: Er verließ seine frühere Firma für die Herstellung von Separatoren, gründete eine Aktiengesellschaft und begann, die Kapazität der Einheiten zu erhöhen.

Parallel zu Laval forschte der Engländer Sir Charles Parsons auf dem Gebiet der Dampfturbinen, der die Ideen von Laval überdenken und erfolgreich ergänzen konnte. Wenn der erste eine Scheibe mit Schaufeln in seiner Turbine verwendete, patentierte Parsons eine mehrstufige Turbine mit mehreren Scheiben in Reihe, und wenig später fügte er der Struktur Statoren hinzu, um den Durchfluss auszugleichen.

Die Parsons-Turbine hatte drei aufeinanderfolgende Zylinder für Hoch-, Mittel- und Niederdruckdampf mit unterschiedlicher Schaufelgeometrie. Wenn Laval auf aktive Turbinen angewiesen war, bildete Parsons reaktive Gruppen.

1889 verkaufte Parsons mehrere hundert seiner Turbinen zur Elektrifizierung von Städten, und weitere fünf Jahre später wurde das Versuchsschiff Turbinia gebaut, das eine Geschwindigkeit von 63 km / h entwickelte, die zuvor für Dampfmaschinen unerreichbar war. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden Dampfturbinen zu einem der Hauptmotoren für die schnelle Elektrifizierung des Planeten.


Jetzt wird "Turbinia" in einem Museum in Newcastle ausgestellt. Achten Sie auf die Anzahl der Schrauben. Quelle: TWAMWIR / Wikimedia

Toshiba-Turbinen - Ein jahrhundertelanger Weg

Die rasante Entwicklung der elektrifizierten Eisenbahnen und der Textilindustrie in Japan zwang den Staat, auf den gestiegenen Stromverbrauch mit dem Bau neuer Kraftwerke zu reagieren. Gleichzeitig begannen die Arbeiten an der Konstruktion und Produktion japanischer Dampfturbinen, von denen die ersten in den 1920er Jahren an die Bedürfnisse des Landes geliefert wurden. Toshiba (in jenen Jahren: Tokyo Denki und Shibaura Seisaku-sho) schloss sich ebenfalls dem Fall an.

Die erste Toshiba-Turbine wurde 1927 auf den Markt gebracht und hatte eine bescheidene Leistung von 23 kW. Innerhalb von zwei Jahren verließen alle in Japan hergestellten Dampfturbinen die Toshiba-Werke, und es wurden Einheiten mit einer Gesamtleistung von 7.500 kW in Betrieb genommen. Für die erste japanische Geothermie-Station , die 1966 eröffnet wurde, lieferte Toshiba übrigens auch Dampfturbinen. Bis 1997 hatten alle Toshiba-Turbinen eine Gesamtkapazität von 100.000 MW, und bis 2017 waren die Lieferungen so stark gestiegen, dass die entsprechende Kapazität 200.000 MW betrug.

Diese Forderung ist auf die Fertigungsgenauigkeit zurückzuführen. Ein Rotor mit einem Gewicht von bis zu 150 Tonnen dreht sich mit einer Geschwindigkeit von 3600 U / min. Jedes Ungleichgewicht führt zu Vibrationen und Unfällen. Der Rotor ist mit einer Genauigkeit von 1 Gramm ausgewuchtet und die geometrischen Abweichungen sollten 0,01 mm von den Zielwerten nicht überschreiten. CNC-Geräte tragen dazu bei, Abweichungen in der Turbinenproduktion auf 0,005 mm zu reduzieren - dies ist der Unterschied zu den Zielparametern unter den Mitarbeitern von Toshiba, der als gute Form angesehen wird, obwohl der zulässige Sicherheitsfehler um eine Größenordnung größer ist. Außerdem muss jede Turbine bei erhöhten Drehzahlen einem Stresstest unterzogen werden - bei Einheiten mit 3600 U / min liefert der Test eine Beschleunigung auf 4320 U / min.


Ein gutes Foto zum Verständnis der Abmessungen der Niederdruckstufen einer Dampfturbine. Hier ist ein Team der besten Meister der Toshiba Keihin Product Operations-Fabrik. Quelle: Toshiba

Effizienz der Dampfturbine

Dampfturbinen sind insofern gut, als mit zunehmender Größe die erzeugte Leistung und der Wirkungsgrad erheblich zunehmen. Es ist wirtschaftlich viel rentabler, eine oder mehrere Einheiten in einem großen Wärmekraftwerk zu installieren, von dem aus Strom über Fernnetze verteilt werden kann, als lokale Wärmekraftwerke mit kleinen Turbinen mit einer Leistung von Hunderten von Kilowatt bis zu mehreren Megawatt zu bauen. Tatsache ist, dass mit abnehmender Größe und Leistung die Kosten einer Turbine in Kilowatt zeitweise steigen und der Wirkungsgrad um das Zwei- oder Dreifache sinkt.

Der elektrische Wirkungsgrad von Kondensationsturbinen mit Überhitzung variiert zwischen 35 und 40%. Der Wirkungsgrad moderner Wärmekraftwerke kann 45% erreichen.



Wenn Sie diese Indikatoren mit den Ergebnissen aus der Tabelle vergleichen, stellt sich heraus, dass eine Dampfturbine eine der besten Möglichkeiten ist, um den hohen Strombedarf zu decken. Dieselmotoren sind eine „Heimatgeschichte“, Windmühlen sind teuer und stromsparend, Wasserkraftwerke sind sehr teuer und georeferenziert, und Wasserstoffbrennstoffzellen , über die wir bereits geschrieben haben, sind eine neue und eher mobile Möglichkeit, Strom zu erzeugen.

Interessante Fakten

Die leistungsstärkste Dampfturbine: Ein solcher Titel kann zu Recht von zwei Produkten gleichzeitig getragen werden - der deutschen Siemens SST5-9000 und der Turbine von ARABELLE, die dem amerikanischen General Electric gehört. Beide Brennwertturbinen liefern bis zu 1900 MW Leistung. Ein solches Potenzial auszuschöpfen ist nur in Kernkraftwerken möglich.


Rekordturbine Siemens SST5-9000 mit einer Leistung von 1900 MW. Ein Rekord, aber der Bedarf an solcher Leistung ist sehr gering, daher ist Toshiba auf Geräte mit der halben Leistung spezialisiert. Quelle: Siemens

Die kleinste Dampfturbine wurde vor einigen Jahren in Russland von Ingenieuren der Bundesuniversität Ural gebaut - PTM-30 mit einem Durchmesser von nur einem halben Meter und einer Leistung von 30 kW. Das Baby kann zur lokalen Stromerzeugung verwendet werden, indem der überschüssige Dampf aus anderen Prozessen genutzt wird, um einen wirtschaftlichen Nutzen daraus zu ziehen und ihn nicht an die Atmosphäre abzugeben.


Die russische PTM-30 ist die kleinste Dampfturbine der Welt zur Stromerzeugung. Quelle: UrFU

Die erfolgloseste Anwendung einer Dampfturbine sind Dampfturbinen - Dampflokomotiven, bei denen Dampf vom Kessel in die Turbine eintritt und die Lokomotive dann auf Elektromotoren oder aufgrund mechanischer Übertragung fährt. Theoretisch lieferte eine Dampfturbine einen um ein Vielfaches höheren Wirkungsgrad als eine herkömmliche Dampflokomotive. Tatsächlich stellte sich heraus, dass die Dampfturbo-Lokomotive ihre Vorteile wie hohe Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit nur bei Geschwindigkeiten über 60 km / h zeigt. Bei niedrigeren Drehzahlen verbraucht die Turbine zu viel Dampf und Kraftstoff. Die USA und die europäischen Länder experimentierten mit Dampfturbinen an Lokomotiven, aber die schreckliche Zuverlässigkeit und der zweifelhafte Wirkungsgrad verkürzten die Lebensdauer von Dampfturbinen als Klasse auf 10 bis 20 Jahre.


Die Kohledampfturbinenlokomotive C & O 500 brach fast jede Fahrt, weshalb sie ein Jahr nach ihrer Freigabe zum Schrott geschickt wurde. Quelle: Wikimedia