स्टीम टर्बाइन: गर्म भाप बिजली में कैसे बदल जाती है

वर्तमान उत्पन्न करने के सबसे प्रभावी तरीकों को खोजने के लिए वैज्ञानिक अभी भी संघर्ष कर रहे हैं - प्रगति ने गैल्वेनिक कोशिकाओं से पहले डायनेमो, भाप, परमाणु और अब सौर, पवन और हाइड्रोजन बिजली संयंत्रों में प्रवेश किया है। आजकल, बिजली पैदा करने का सबसे विशाल और सुविधाजनक तरीका भाप टरबाइन द्वारा संचालित जनरेटर है।

मनुष्य की बिजली की प्रकृति को समझने से बहुत पहले भाप टरबाइन का आविष्कार किया गया था। इस पोस्ट में, हम एक भाप टरबाइन की संरचना और संचालन के बारे में सरलता से बात करेंगे, और एक ही समय में याद करेंगे कि कैसे प्राचीन ग्रीक वैज्ञानिक समय से पंद्रह शताब्दियों पहले थे, कैसे तख्तापलट टर्बाइन इंजीनियरिंग में हुआ था, और क्यों तोशिबा का मानना ​​है कि एक तीस मीटर टरबाइन 0.005 मिमी की सटीकता के साथ निर्मित किया जाना चाहिए।

स्टीम टरबाइन कैसे काम करता है

स्टीम टरबाइन के संचालन का सिद्धांत अपेक्षाकृत सरल है, और इसकी आंतरिक संरचना मौलिक रूप से एक सदी से अधिक समय तक नहीं बदली है। एक टरबाइन के संचालन के सिद्धांत को समझने के लिए, हम विचार करेंगे कि एक थर्मल पावर प्लांट कैसे काम करता है - एक ऐसा स्थान जहां जीवाश्म ईंधन (गैस, कोयला, ईंधन तेल) बिजली में परिवर्तित हो जाते हैं।

स्टीम टरबाइन ही काम नहीं करता है, इसे कार्य करने के लिए भाप की आवश्यकता होती है। इसलिए, पावर प्लांट एक बॉयलर से शुरू होता है जिसमें ईंधन जलाया जाता है, जिससे बॉयलर को आसुत जल के साथ पाइप को गर्मी देना बंद हो जाता है। इन पतले पाइपों में, पानी भाप में बदल जाता है।


थर्मल पावर प्लांट के संचालन की एक स्पष्ट योजना, घरों को गर्म करने के लिए बिजली और गर्मी दोनों पैदा करती है। स्रोत: मोसेंगो

टरबाइन एक शाफ्ट (रोटर) है जिसमें रेडियल रूप से फैले ब्लेड होते हैं, जैसे कि एक बड़ा पंखा। प्रत्येक ऐसी डिस्क के पीछे एक स्टेटर होता है - एक अलग डिस्क के ब्लेड के साथ एक समान डिस्क, जो शाफ्ट पर नहीं बल्कि टरबाइन शरीर पर लगाया जाता है, और इसलिए स्थिर रहता है (इसलिए नाम - स्टेटर)।

ब्लेड और एक स्टेटर के साथ एक घूर्णन डिस्क की एक जोड़ी को एक चरण कहा जाता है। एक भाप टरबाइन में दर्जनों चरण होते हैं - केवल एक चरण से भाप गुजरने पर 3 से 150 टन के द्रव्यमान वाले टरबाइन के भारी शाफ्ट को अछूता नहीं करते हैं, इसलिए भाप की अधिकतम संभावित ऊर्जा निकालने के लिए चरणों को श्रृंखला में समूहीकृत किया जाता है।

उच्च तापमान पर और उच्च दबाव में भाप टरबाइन इनलेट को आपूर्ति की जाती है। भाप का दबाव निम्न (1.2 एमपीए तक), मध्यम (5 एमपीए तक), उच्च (15 एमपीए तक), अल्ट्राहिग (15-22.5 एमपीए) और सुपरक्रिटिकल (22.5 एमपीए से अधिक) दबाव को अलग करता है। तुलना के लिए, शैंपेन की बोतल के अंदर दबाव एक यात्री कार - 0.2 एमपीए के कार टायर में लगभग 0.63 एमपीए है।

उच्च दबाव, पानी का क्वथनांक जितना अधिक होता है, जिसका अर्थ है भाप का तापमान। टरबाइन इनलेट को 550-560 ° C पर सुपरहिट किया जाता है! इतना क्यों? चूंकि यह टरबाइन से गुजरता है, भाप का प्रवाह दर बनाए रखने के लिए फैलता है और तापमान को खो देता है, इसलिए आपको मार्जिन की आवश्यकता होती है। ऊपर की भाप को ज़्यादा गरम क्यों नहीं किया जाता? हाल तक तक, यह बेहद जटिल और अर्थहीन माना जाता था - टरबाइन और बॉयलर पर लोड करना महत्वपूर्ण हो गया।

पारंपरिक रूप से बिजली संयंत्रों के लिए स्टीम टर्बाइन में ब्लेड के साथ कई सिलेंडर होते हैं, जिसमें उच्च, मध्यम और निम्न दबाव वाली भाप की आपूर्ति की जाती है। सबसे पहले, भाप उच्च दबाव वाले सिलेंडर से होकर गुजरती है, टरबाइन को घूमती है, और उसी समय आउटलेट (दबाव और तापमान में कमी) पर अपने मापदंडों को बदल देती है, जिसके बाद यह मध्यम दबाव सिलेंडर में चला जाता है, और वहां से कम दबाव। तथ्य यह है कि भाप के ऊर्जा के लिए अधिक कुशलता से निकालने के लिए विभिन्न मापदंडों वाले भाप के चरणों में ब्लेड के विभिन्न आकार और आकार होते हैं।

लेकिन एक समस्या है - जब तापमान संतृप्ति बिंदु तक गिर जाता है, तो भाप संतृप्त होने लगती है, और इससे टरबाइन की दक्षता कम हो जाती है। इसे रोकने के लिए, उच्च सिलेंडर के बाद बॉयलर में भाप को गर्म किया जाता है और इससे पहले कि यह कम दबाव सिलेंडर में प्रवेश करता है। इस प्रक्रिया को इंटरमीडिएट ओवरहीटिंग (औद्योगिक ओवरहीटिंग) कहा जाता है।

एक टरबाइन में मध्यम और निम्न दबाव के कई सिलेंडर हो सकते हैं। सिलिंडर के किनारे से दोनों को स्टीम दिया जा सकता है, सभी ब्लेड को क्रमिक रूप से पास करते हुए, और केंद्र में, किनारों पर डायवर्ट करते हुए, जो शाफ्ट पर लोड को बाहर निकालता है।

टरबाइन का घूर्णन शाफ्ट एक विद्युत जनरेटर से जुड़ा होता है। नेटवर्क में बिजली के लिए आवश्यक आवृत्ति होने के लिए, जनरेटर और टरबाइन शाफ्ट को कड़ाई से परिभाषित गति से घूमना चाहिए - रूस में, नेटवर्क में वर्तमान में 50 हर्ट्ज की आवृत्ति होती है, और टर्बाइन 1500 या 3000 आरपीएम पर काम करते हैं।

इसे सीधे शब्दों में कहें, तो पावर प्लांट द्वारा उत्पादित बिजली की खपत जितनी अधिक होती है, जनरेटर उतना ही मजबूत होता है, रोटेशन को नियंत्रित करता है, इसलिए आपको टरबाइन को भाप का एक बड़ा प्रवाह प्रदान करना होगा। टर्बाइन गति नियंत्रक तुरंत लोड परिवर्तनों का जवाब देते हैं और भाप प्रवाह को नियंत्रित करते हैं ताकि टरबाइन निरंतर गति बनाए रखे। यदि नेटवर्क में लोड कम हो जाता है और नियामक आपूर्ति की गई भाप की मात्रा को कम नहीं करता है, तो टरबाइन तेजी से गति और पतन को बढ़ाएगा - इस तरह की दुर्घटना की स्थिति में, ब्लेड आसानी से टरबाइन शरीर में प्रवेश करते हैं, थर्मल पावर प्लांट की छत और कई किलोमीटर दूर उड़ जाते हैं।

भाप के टरबाइन कैसे आए

XVIII सदी ईसा पूर्व के आसपास, मानव जाति ने पहले से ही तत्वों की ऊर्जा को नाम दिया था, इसे उपयोगी कार्य करने के लिए यांत्रिक ऊर्जा में बदल दिया - ये बेबीलोन पवनचक्कियां थीं। द्वितीय शताब्दी ईसा पूर्व तक। ई। रोमन साम्राज्य में पानी की मिलें दिखाई दीं, जिनके पहिए नदियों और नालों के पानी की अंतहीन धारा से चलते थे। और पहले से ही पहली शताब्दी ईस्वी में ई। मानव ने जल-वाष्प की संभावित ऊर्जा को मानव निर्मित प्रणाली में गति स्थापित करने में मदद की।


अलेक्जेंड्रिया के गेरोन का इलिपिपिलस अगले 15 शताब्दियों के लिए पहली और एकमात्र प्रतिक्रियाशील भाप टरबाइन है। स्रोत: अमेरिकन मैकेनिकल डिक्शनरी / विकिमीडिया

ग्रीक गणितज्ञ और अलेक्जेंड्रिया के मैकेनिक गेरोन ने ईओलिपिल के विचित्र तंत्र का वर्णन किया, जो एक गेंद है जिसे एक कोण पर ट्यूब से निकलने वाली धुरी के साथ तय किया जाता है। उबलते हुए बॉयलर से गेंद में आई भाप ने नलियों को बल से बाहर निकाला, जिससे गेंद घूम गई। उस समय हेरॉन द्वारा आविष्कार की गई मशीन एक बेकार खिलौने की तरह लग रही थी, लेकिन वास्तव में, प्राचीन वैज्ञानिक ने पहले स्टीम जेट टरबाइन का निर्माण किया था, जिसकी क्षमता का अनुमान केवल पंद्रह शताब्दियों के बाद लगाया गया था। एक आधुनिक ईओलिपिल प्रतिकृति की गति 1,500 आरपीएम तक है।

16 वीं शताब्दी में, हेरॉन के विस्मृत आविष्कार को सीरिया के खगोलविद ताकीउद्दीन अल-शमी ने आंशिक रूप से दोहराया था, लेकिन एक गेंद के बजाय, एक पहिया गति में संचालित किया गया था, जिस पर बॉयलर से सीधे भाप उड़ती थी। 1629 में, एक समान विचार इतालवी वास्तुकार जियोवन्नी ब्रांका द्वारा प्रस्तावित किया गया था: स्टीम की एक धारा ने एक पैडल व्हील घुमाया, जिसे चीरघर बनाने के लिए अनुकूलित किया जा सकता था।


ब्रांका सक्रिय भाप टरबाइन ने कम से कम कुछ उपयोगी काम किया - यह "स्वचालित" दो मोर्टार।

मशीनों के कई आविष्कारों के वर्णन के बावजूद, जो काम करने के लिए भाप ऊर्जा को परिवर्तित करते हैं, यह अभी भी एक उपयोगी कार्यान्वयन से दूर था - उस समय की तकनीकों ने व्यावहारिक रूप से लागू शक्ति के साथ भाप टरबाइन बनाने की अनुमति नहीं दी थी।

टरबाइन क्रांति

कई वर्षों के लिए, स्वीडिश आविष्कारक गुस्ताफ लावल ने एक निश्चित इंजन बनाने के विचार को तैयार किया जो अक्ष को बड़ी गति से घुमा सकता है - यह लावेल दूध विभाजक के संचालन के लिए आवश्यक था। जबकि विभाजक "मैनुअल ड्राइव" से काम कर रहा था: एक गियर सिस्टम ने विभाजक में 7000 आरपीएम के हैंडल पर 40 आरपीएम परिवर्तित किया। 1883 में, लावल ने हेरॉन के आइलिपिल को अनुकूलित करने में कामयाबी हासिल की, जो इंजन को एक दूध विभाजक प्रदान करता है। यह विचार अच्छा था, लेकिन कंपन, भयानक उच्च लागत और भाप टरबाइन की अनौपचारिकता ने आविष्कारक को गणनाओं पर लौटने के लिए मजबूर कर दिया।

लावल टरबाइन व्हील 1889 में दिखाई दिया, लेकिन इसका डिज़ाइन आज तक लगभग अपरिवर्तित है।

वर्षों के दर्दनाक परीक्षणों के बाद, लावल एक सक्रिय एकल-डिस्क स्टीम टरबाइन बनाने में सक्षम था। दबाव के तहत नलिका के साथ चार पाइपों के ब्लेड के साथ एक डिस्क को भाप की आपूर्ति की गई थी। नलिका में विस्तार और तेजी, भाप ने डिस्क के ब्लेड को मारा और इस तरह डिस्क को गति में सेट किया। इसके बाद, आविष्कारक ने 3.6 kW की शक्ति के साथ पहली व्यावसायिक रूप से उपलब्ध टर्बाइनों का उत्पादन किया, बिजली उत्पन्न करने के लिए डायनामोस के साथ जुड़े टर्बाइनों का निर्माण किया, और टर्बाइनों के डिजाइन में कई नवाचारों का भी पेटेंट कराया, जिसमें हमारे समय में स्टीम कंडेनसर के रूप में उनका एक अभिन्न हिस्सा भी शामिल था। एक कठिन शुरुआत के बावजूद, बाद में गुस्ताफ लावल के साथ चीजें अच्छी हो गईं: विभाजकों के उत्पादन के लिए अपनी पिछली कंपनी को छोड़कर, उन्होंने एक संयुक्त स्टॉक कंपनी की स्थापना की और इकाइयों की क्षमता में वृद्धि करना शुरू किया।

लावल के समानांतर, स्टीम टर्बाइन के क्षेत्र में उनके शोध का संचालन अंग्रेज सर चार्ल्स पार्सन्स द्वारा किया गया था, जो लवल के विचारों को फिर से समझने और सफलतापूर्वक पूरक करने में सक्षम थे। यदि पहले एक ने अपनी टरबाइन में ब्लेड के साथ एक डिस्क का उपयोग किया था, तो पार्सन्स ने श्रृंखला में कई डिस्क के साथ एक मल्टीस्टेज टरबाइन का पेटेंट कराया, और थोड़ी देर बाद उन्होंने प्रवाह को बराबर करने के लिए संरचना में स्टेटर जोड़ा।

पार्सन्स टरबाइन में विभिन्न ब्लेड ज्यामिति के साथ उच्च, मध्यम और निम्न दबाव भाप के लिए तीन क्रमिक सिलेंडर थे। यदि लावल सक्रिय टर्बाइनों पर भरोसा करता है, तो पार्सन्स ने प्रतिक्रियाशील समूह बनाए।

1889 में, पार्सन्स ने शहरों के विद्युतीकरण के लिए अपनी कई सौ टरबाइनों की बिक्री की, और एक और पांच साल बाद, प्रायोगिक जहाज टर्बिनिया बनाया गया था, जो भाप इंजन के लिए 63 किमी / घंटा पहले की गति को विकसित कर रहा था। 20 वीं शताब्दी की शुरुआत तक, स्टीम टर्बाइन ग्रह के तेजी से विद्युतीकरण के मुख्य इंजनों में से एक बन गया।


अब "टर्बिनिया" को न्यूकैसल के एक संग्रहालय में प्रदर्शित किया गया है। शिकंजा की संख्या पर ध्यान दें। स्रोत: TWAMWIR / विकिमीडिया

तोशिबा टर्बाइन - एक सदी-लंबा रास्ता

विद्युतीकृत रेलवे और जापान में कपड़ा उद्योग के तेजी से विकास ने राज्य को नए बिजली संयंत्रों का निर्माण करके बिजली की खपत बढ़ाने के लिए प्रतिक्रिया करने के लिए मजबूर किया। इसी समय, जापानी भाप टरबाइनों के डिजाइन और उत्पादन पर काम शुरू हुआ, जिनमें से पहली बार 1920 के दशक में देश की जरूरतों को पूरा किया गया था। तोशिबा (उन वर्षों में: टोक्यो डेन्की और शिबौरा सिसाकु-शो) भी इस मामले में शामिल हो गए।

पहली तोशिबा टरबाइन 1927 में जारी की गई थी, इसमें 23 किलोवाट की मामूली शक्ति थी। दो वर्षों के भीतर, जापान में निर्मित सभी स्टीम टर्बाइन ने तोशिबा कारखानों को छोड़ दिया, और 7,500 किलोवाट की कुल क्षमता वाली इकाइयां लॉन्च की गईं। वैसे, पहली जापानी जियोथर्मल स्टेशन के लिए , 1966 में खोला गया, तोशिबा ने स्टीम टर्बाइनों की भी आपूर्ति की। 1997 तक, सभी तोशिबा टर्बाइनों की कुल क्षमता 100,000 मेगावाट थी, और 2017 तक, डिलीवरी इतनी बढ़ गई थी कि समकक्ष क्षमता 200,000 मेगावाट थी।

यह मांग विनिर्माण सटीकता के कारण है। 150 टन तक के वजन वाले रोटर 3600 आरपीएम की गति से घूमता है, किसी भी असंतुलन से कंपन और दुर्घटनाएं होती हैं। रोटर 1 ग्राम की सटीकता के साथ संतुलित है, और ज्यामितीय विचलन लक्ष्य मानों से 0.01 मिमी से अधिक नहीं होना चाहिए। सीएनसी उपकरण टरबाइन उत्पादन में विचलन को कम करने में मदद करता है 0.005 मिमी - यह तोशिबा के कर्मचारियों के बीच लक्ष्य मापदंडों के साथ अंतर एक अच्छा रूप माना जाता है, हालांकि अनुमेय सुरक्षित त्रुटि अधिक परिमाण का एक आदेश है। इसके अलावा, प्रत्येक टरबाइन को बढ़ी हुई गति से एक तनाव परीक्षण से गुजरना होगा - इकाइयों के लिए 3600 आरपीएम पर, परीक्षण 4320 आरपीएम पर त्वरण प्रदान करता है।


भाप टरबाइन के निम्न दबाव चरणों के आयामों को समझने के लिए एक अच्छी तस्वीर। यहाँ तोशिबा केइहिन उत्पाद संचालन कारखाने के सर्वश्रेष्ठ स्वामी की एक टीम है। स्रोत: तोशिबा

स्टीम टर्बाइन दक्षता

स्टीम टर्बाइन उनके आकार में वृद्धि के साथ अच्छे हैं, उत्पन्न शक्ति और दक्षता में काफी वृद्धि हुई है। यह एक बड़े थर्मल पावर प्लांट में एक या कई इकाइयों को स्थापित करने के लिए आर्थिक रूप से बहुत अधिक लाभदायक है, जहां से सैकड़ों किलोवाट से कई मेगावाट तक बिजली के साथ छोटे टर्बाइन वाले स्थानीय थर्मल पावर प्लांट बनाने की तुलना में लंबी दूरी के नेटवर्क पर बिजली वितरित की जा सकती है। तथ्य यह है कि आकार और शक्ति में कमी के साथ, किलोवाट के संदर्भ में एक टरबाइन की लागत कई बार बढ़ जाती है, और दक्षता दो या तीन बार कम हो जाती है।

सुपरहिटिंग के साथ संघनन टर्बाइनों की विद्युत दक्षता 35-40% के स्तर पर भिन्न होती है। आधुनिक ताप विद्युत संयंत्रों की दक्षता 45% तक पहुँच सकती है।



यदि आप तालिका से परिणामों के साथ इन संकेतकों की तुलना करते हैं, तो यह पता चला है कि एक भाप टरबाइन बिजली की बड़ी जरूरतों को पूरा करने के सर्वोत्तम तरीकों में से एक है। डेज़ेल्स एक "घर" कहानी है, पवन चक्कियां महंगी और कम शक्ति वाली होती हैं, जलविद्युत संयंत्र बहुत महंगे और भू-संदर्भित होते हैं, और हाइड्रोजन ईंधन सेल , जिनके बारे में हम पहले ही लिख चुके हैं, एक नया और, बल्कि, बिजली उत्पन्न करने का मोबाइल तरीका है।

रोचक तथ्य

सबसे शक्तिशाली स्टीम टरबाइन: इस तरह के शीर्षक को दो उत्पादों द्वारा एक ही बार में पहना जा सकता है - जर्मन सीमेंस SST5-9000 और अमेरिकन जनरल इलेक्ट्रिक के स्वामित्व वाले टर्टल द्वारा निर्मित टर्बाइन। दोनों संघनक टरबाइन 1900 मेगावाट तक बिजली प्रदान करते हैं। ऐसी क्षमता का एहसास करने के लिए केवल परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में ही संभव है।


1900 मेगावाट की क्षमता के साथ रिकॉर्ड टर्बाइन सीमेंस SST5-9000। एक रिकॉर्ड, लेकिन ऐसी शक्ति की मांग बहुत कम है, इसलिए तोशिबा आधी शक्ति वाली इकाइयों में माहिर है। स्रोत: सीमेंस

यूराल फेडरल यूनिवर्सिटी के इंजीनियरों द्वारा केवल दो साल पहले रूस में सबसे छोटी भाप टरबाइन बनाई गई थी - केवल आधा मीटर व्यास का पीटीएम -30, इसकी क्षमता 30 किलोवाट है। आर्थिक लाभ प्राप्त करने के लिए, अन्य प्रक्रियाओं से बची हुई अतिरिक्त भाप का उपयोग करके, और उसे वायुमंडल में न छोड़ने के लिए, शिशु को बिजली के स्थानीय उत्पादन के लिए उपयोग किया जा सकता है।


रूसी पीटीएम -30 बिजली उत्पन्न करने वाली दुनिया की सबसे छोटी भाप टरबाइन है। स्रोत: यूआरएफयू

स्टीम टरबाइन का सबसे असफल अनुप्रयोग भाप टरबाइन है - स्टीम लोकोमोटिव जिसमें बॉयलर से भाप टरबाइन में प्रवेश करती है, और फिर लोकोमोटिव इलेक्ट्रिक मोटर पर या मैकेनिकल ट्रांसमिशन के कारण चलता है। सैद्धांतिक रूप से, एक भाप टरबाइन एक पारंपरिक भाप लोकोमोटिव की तुलना में कई गुना अधिक दक्षता प्रदान करता है। वास्तव में, यह पता चला कि भाप टर्बो लोकोमोटिव अपने फायदे प्रदर्शित करता है, जैसे कि उच्च गति और विश्वसनीयता, केवल 60 किमी / घंटा से ऊपर की गति पर। कम गति पर, टरबाइन बहुत अधिक भाप और ईंधन की खपत करता है। अमेरिका और यूरोपीय देशों ने लोकोमोटिव पर भाप टरबाइन के साथ प्रयोग किया, लेकिन भयानक विश्वसनीयता और संदिग्ध दक्षता ने कक्षा के रूप में भाप टरबाइन के जीवन को 10-20 साल तक छोटा कर दिया।


कोयला भाप टरबाइन लोकोमोटिव C & O 500 ने लगभग हर यात्रा को तोड़ दिया, यही वजह है कि इसकी रिहाई के एक साल बाद इसे स्क्रैप के लिए भेजा गया था। स्रोत: विकिमीडिया