Para ilmuwan masih berjuang untuk menemukan cara yang paling efisien untuk menghasilkan arus - kemajuan telah meningkat dari sel-sel galvanik ke dinamo pertama, uap, nuklir, dan sekarang pembangkit listrik tenaga surya, angin dan hidrogen. Saat ini, cara yang paling masif dan nyaman untuk menghasilkan listrik tetap menjadi generator yang digerakkan oleh turbin uap.
Turbin uap diciptakan jauh sebelum manusia memahami sifat listrik. Dalam posting ini, kita akan secara sederhana berbicara tentang struktur dan operasi turbin uap, dan pada saat yang sama mengingat bagaimana ilmuwan Yunani kuno lima belas abad sebelumnya, bagaimana kudeta terjadi dalam rekayasa turbin, dan mengapa Toshiba percaya bahwa turbin tiga puluh meter harus dibuat dengan akurasi 0,005 mm.
Cara kerja turbin uap
Prinsip pengoperasian turbin uap relatif sederhana, dan struktur internalnya tidak berubah secara mendasar selama lebih dari satu abad. Untuk memahami prinsip pengoperasian turbin, kami akan mempertimbangkan cara kerja pembangkit listrik termal - tempat bahan bakar fosil (gas, batu bara, bahan bakar minyak) dikonversi menjadi listrik.
Turbin uap itu sendiri tidak berfungsi, perlu uap berfungsi. Oleh karena itu, pembangkit listrik dimulai dengan boiler di mana bahan bakar dibakar, mengeluarkan panas ke pipa dengan air suling menembus boiler. Dalam pipa tipis ini, air berubah menjadi uap.
Skema yang jelas tentang pengoperasian pembangkit listrik termal, menghasilkan listrik dan panas untuk memanaskan rumah. Sumber: Mosenergo
Turbin adalah poros (rotor) dengan bilah yang berjarak radial, seperti kipas besar. Sebuah stator dipasang di belakang masing-masing disk tersebut - disk yang sama dengan bilah dengan bentuk yang berbeda, yang dipasang bukan pada poros, tetapi pada badan turbin, dan oleh karena itu tetap stasioner (karena itu nama stator).
Sepasang satu disk yang berputar dengan bilah dan stator disebut langkah. Ada puluhan tahapan dalam satu turbin uap - jangan lepas tangkai turbin berat dengan massa 3 hingga 150 ton dengan melewatkan uap melalui hanya satu tahap, sehingga tahapan dikelompokkan secara seri untuk mengekstraksi energi potensial maksimum uap.
Steam pada suhu yang sangat tinggi dan di bawah tekanan tinggi disuplai ke inlet turbin. Tekanan uap membedakan turbin dari tekanan rendah (hingga 1,2 MPa), sedang (hingga 5 MPa), tinggi (hingga 15 MPa), ultrahigh (15-22,5 MPa) dan tekanan superkritis (lebih dari 22,5 MPa). Sebagai perbandingan, tekanan di dalam botol sampanye adalah sekitar 0,63 MPa, di ban mobil mobil penumpang - 0,2 MPa.
Semakin tinggi tekanan, semakin tinggi titik didih air, yang berarti suhu uap. Steam yang dipanaskan hingga 550-560 ° C disuplai ke saluran masuk turbin! Kenapa begitu banyak? Saat melewati turbin, uap mengembang untuk mempertahankan laju aliran dan kehilangan suhu, jadi Anda harus memiliki margin. Mengapa tidak memanaskan uap di atas? Sampai baru-baru ini, ini dianggap sangat kompleks dan tidak berarti - memuat turbin dan boiler menjadi kritis.
Turbin uap untuk pembangkit listrik secara tradisional memiliki beberapa silinder dengan bilah, di mana uap tekanan tinggi, sedang dan rendah disuplai. Pertama, uap melewati silinder tekanan tinggi, memutar turbin, dan pada saat yang sama mengubah parameternya di outlet (tekanan dan penurunan suhu), setelah itu masuk ke silinder tekanan sedang, dan dari sana tekanan rendah. Faktanya adalah bahwa langkah-langkah untuk steam dengan parameter yang berbeda memiliki ukuran dan bentuk blade yang berbeda agar lebih efisien dalam mengekstraksi energi steam.
Tetapi ada masalah - ketika suhu turun ke titik jenuh, uap mulai jenuh, dan ini mengurangi efisiensi turbin. Untuk mencegah hal ini, uap dipanaskan kembali dalam boiler setelah silinder tinggi dan sebelum memasuki silinder tekanan rendah. Proses ini disebut intermediate overheating (overheating industri).
Mungkin ada beberapa silinder tekanan sedang dan rendah dalam satu turbin. Uap dapat disuplai ke keduanya dari tepi silinder, melewati semua bilah secara berurutan, dan di tengah, menyimpang ke tepi, yang meratakan beban pada poros.
Poros putar turbin terhubung ke generator listrik. Agar listrik dalam jaringan memiliki frekuensi yang diperlukan, poros generator dan turbin harus berputar pada kecepatan yang ditentukan secara ketat - di Rusia, arus dalam jaringan memiliki frekuensi 50 Hz, dan turbin beroperasi pada 1500 atau 3000 rpm.
Sederhananya, semakin tinggi konsumsi listrik yang dihasilkan oleh pembangkit listrik, semakin kuat generator menahan rotasi, sehingga Anda harus memasok aliran uap yang lebih besar ke turbin. Pengontrol kecepatan turbin langsung merespons perubahan beban dan mengontrol aliran uap sehingga turbin mempertahankan kecepatan konstan. Jika beban turun di jaringan dan regulator tidak mengurangi jumlah uap yang dipasok, turbin akan dengan cepat meningkatkan kecepatan dan keruntuhan - jika terjadi kecelakaan seperti itu, bilah dengan mudah menembus badan turbin, atap pembangkit listrik termal dan terbang terpisah beberapa kilometer jauhnya.
Bagaimana turbin uap muncul
Sekitar abad XVIII SM, umat manusia telah menjinakkan energi unsur-unsur, mengubahnya menjadi energi mekanik untuk melakukan pekerjaan yang bermanfaat - ini adalah kincir angin Babel. Pada abad II SM. e. pabrik air muncul di Kekaisaran Romawi, yang rodanya digerakkan oleh aliran air yang tak ada habisnya dari sungai dan sungai. Dan sudah di abad ke-1 Masehi e. manusia menjinakkan energi potensial uap air, dengan bantuannya mengatur sistem buatan manusia.
Eolipilus dari Geron dari Alexandria adalah turbin uap reaktif pertama dan satu-satunya selama 15 abad berikutnya. Sumber: Kamus Mekanik Amerika / Wikimedia
Matematikawan dan mekanik Yunani Geron dari Aleksandria menggambarkan mekanisme aneh eolipil, yang merupakan bola yang dipasang pada sumbu dengan tabung yang memancar darinya dengan sudut tertentu. Uap yang masuk ke bola dari boiler yang mendidih keluar dari tabung dengan paksa, menyebabkan bola berputar. Mesin yang ditemukan oleh Heron pada waktu itu tampak seperti mainan yang tidak berguna, tetapi pada kenyataannya, ilmuwan kuno membangun turbin jet uap pertama, yang potensinya diperkirakan hanya setelah lima belas abad. Replika eolipil modern memiliki kecepatan hingga 1.500 rpm.
Pada abad ke-16, penemuan Heron yang terlupakan sebagian diulangi oleh astronom Suriah Takiyuddin al-Shami, tetapi alih-alih bola, sebuah roda didorong ke dalam gerakan, di mana uap bertiup langsung dari ketel. Pada 1629, ide serupa diajukan oleh arsitek Italia Giovanni Branca: aliran uap memutar roda dayung, yang dapat diadaptasi untuk memekanisasi sawmill.
Turbin uap aktif Branca setidaknya melakukan beberapa pekerjaan yang bermanfaat - ini “mengotomatiskan” dua mortir.
Terlepas dari uraian oleh beberapa penemu mesin yang mengubah energi uap untuk bekerja, itu masih jauh dari implementasi yang bermanfaat - teknologi pada waktu itu tidak memungkinkan pembuatan turbin uap dengan daya yang praktis dapat diterapkan.
Revolusi turbin
Selama bertahun-tahun, penemu Swedia Gustaf Laval menetas gagasan menciptakan mesin tertentu yang dapat memutar poros dengan kecepatan tinggi - ini diperlukan untuk pengoperasian pemisah susu Laval. Sementara pemisah bekerja dari "penggerak manual": sistem roda gigi dikonversi 40 rpm pada pegangan ke 7000 rpm di pemisah. Pada tahun 1883, Laval berhasil mengadaptasi eolipil Heron, menyediakan mesin pemisah susu. Idenya bagus, tetapi getaran, biaya tinggi dan tidak ekonomis dari turbin uap memaksa penemu untuk kembali ke perhitungan.
Roda turbin Laval muncul pada tahun 1889, tetapi desainnya bertahan sampai hari ini hampir tidak berubah.
Setelah bertahun-tahun uji coba yang menyakitkan, Laval mampu membuat turbin uap cakram tunggal yang aktif. Steam disuplai ke disk dengan bilah empat pipa dengan nozel di bawah tekanan. Memperluas dan mempercepat di nozel, uap mengenai bilah cakram dan dengan demikian mengatur cakram bergerak. Selanjutnya, penemu meluncurkan turbin pertama yang tersedia secara komersial dengan kekuatan 3,6 kW, turbin terhubung ke dinamo untuk menghasilkan listrik, dan juga mematenkan banyak inovasi dalam desain turbin, termasuk bagian integral dari waktu kita sebagai kondensor uap. Meskipun awal yang sulit, hal-hal kemudian dengan Gustaf Laval berjalan dengan baik: meninggalkan perusahaan sebelumnya untuk produksi pemisah, ia mendirikan perusahaan saham gabungan dan mulai meningkatkan kapasitas unit.
Sejalan dengan Laval, penelitiannya di bidang turbin uap dilakukan oleh orang Inggris Sir Charles Parsons, yang mampu memikirkan kembali dan berhasil melengkapi ide-ide Laval. Jika yang pertama menggunakan satu disk dengan bilah di turbinnya, maka Parsons mematenkan turbin bertingkat dengan beberapa disk secara seri, dan sedikit kemudian dia menambahkan stator ke struktur untuk menyamakan aliran.
Turbin Parsons memiliki tiga silinder berturut-turut untuk uap tekanan tinggi, sedang, dan rendah dengan geometri blade yang berbeda. Jika Laval mengandalkan turbin aktif, maka Parsons membuat grup reaktif.
Pada tahun 1889, Parsons menjual beberapa ratus turbin untuk elektrifikasi kota, dan lima tahun kemudian, kapal eksperimental Turbinia dibangun, mengembangkan kecepatan 63 km / jam yang sebelumnya tidak terjangkau untuk mesin uap. Pada awal abad ke-20, turbin uap menjadi salah satu mesin utama elektrifikasi cepat planet ini.
Sekarang "Turbinia" dipamerkan di sebuah museum di Newcastle. Perhatikan jumlah sekrup. Sumber: TWAMWIR / Wikimedia
Turbin Toshiba - A Century-Long Way
Pesatnya perkembangan
jalur kereta listrik dan industri tekstil di Jepang memaksa negara untuk menanggapi peningkatan konsumsi listrik dengan membangun pembangkit listrik baru. Pada saat yang sama, pekerjaan dimulai pada desain dan produksi turbin uap Jepang, yang pertama dikirim ke kebutuhan negara pada tahun 1920-an. Toshiba (pada tahun-tahun itu: Tokyo Denki dan Shibaura Seisaku-sho) juga bergabung dalam kasus ini.
Turbin Toshiba pertama dirilis pada tahun 1927, ia memiliki kekuatan sederhana 23 kW. Dalam dua tahun, semua turbin uap yang diproduksi di Jepang meninggalkan pabrik-pabrik Toshiba, dan unit-unit dengan total kapasitas 7.500 kW diluncurkan. Omong-omong, untuk
stasiun panas bumi Jepang pertama , dibuka pada tahun 1966, Toshiba juga memasok turbin uap. Pada 1997, semua turbin Toshiba memiliki kapasitas total 100.000 MW, dan pada 2017, pengiriman telah tumbuh sedemikian rupa sehingga kapasitas yang setara adalah 200.000 MW.
Permintaan ini disebabkan oleh akurasi produksi. Sebuah rotor dengan berat hingga 150 ton berputar pada kecepatan 3.600 rpm, ketidakseimbangan apa pun akan menyebabkan getaran dan kecelakaan. Rotor seimbang dengan akurasi 1 gram, dan penyimpangan geometris tidak boleh melebihi 0,01 mm dari nilai target. Peralatan CNC membantu mengurangi penyimpangan dalam produksi turbin menjadi 0,005 mm - ini adalah perbedaan dengan parameter target di antara karyawan Toshiba yang dianggap sebagai bentuk yang baik, meskipun kesalahan aman yang diizinkan adalah urutan besarnya yang lebih besar. Selain itu, setiap turbin harus menjalani uji tekanan pada kecepatan yang meningkat - untuk unit pada 3.600 rpm, tes ini memberikan akselerasi hingga 4.202 rpm.
Foto yang bagus untuk memahami dimensi tahapan tekanan rendah dari turbin uap. Berikut adalah tim master terbaik dari pabrik Operasi Produk Toshiba Keihin. Sumber: Toshiba
Efisiensi Turbin Uap
Turbin uap bagus karena dengan peningkatan ukurannya, daya yang dihasilkan dan efisiensi meningkat secara signifikan. Secara ekonomis jauh lebih menguntungkan untuk memasang satu atau beberapa unit di pembangkit listrik termal yang besar, dari mana listrik dapat didistribusikan melalui jaringan jarak jauh daripada membangun pembangkit listrik termal lokal dengan turbin kecil dengan daya dari ratusan kilowatt hingga beberapa megawatt. Faktanya adalah bahwa dengan penurunan ukuran dan daya, biaya turbin dalam hal kilowatt meningkat pada waktu, dan efisiensi turun dua atau tiga kali.
Efisiensi listrik turbin kondensasi dengan superheating bervariasi pada tingkat 35-40%. Efisiensi pembangkit listrik termal modern dapat mencapai 45%.
Jika Anda membandingkan indikator ini dengan hasil dari tabel, ternyata turbin uap adalah salah satu cara terbaik untuk memenuhi kebutuhan listrik yang besar. Diesel adalah cerita "rumah", kincir angin mahal dan berdaya rendah, pembangkit listrik tenaga air sangat mahal dan direferensikan secara geo, dan
sel bahan bakar hidrogen , yang telah kami tulis, adalah cara baru dan mobile untuk menghasilkan listrik.
Fakta menarik
Turbin uap
yang paling kuat : gelar seperti itu dapat secara sah dibawa oleh dua produk sekaligus - Siemens SST5-9000 Jerman dan turbin yang diproduksi oleh ARABELLE, yang dimiliki oleh American General Electric. Kedua turbin kondensasi menghasilkan daya hingga 1900 MW. Untuk mewujudkan potensi seperti itu hanya dimungkinkan di pembangkit listrik tenaga nuklir.
Rekam turbin Siemens SST5-9000 dengan kapasitas 1900 MW. Catatan, tetapi permintaan untuk daya seperti itu sangat kecil, sehingga Toshiba mengkhususkan diri pada unit dengan setengah daya. Sumber: Siemens
Turbin uap
terkecil dibuat di Rusia hanya beberapa tahun yang lalu oleh para insinyur dari Universitas Federal Ural - PTM-30 dengan diameter hanya setengah meter, ia memiliki kapasitas 30 kW. Bayi tersebut dapat digunakan untuk pembangkit listrik lokal dengan memanfaatkan kelebihan uap yang tersisa dari proses lain untuk memperoleh manfaat ekonomi darinya, dan tidak melepaskannya ke atmosfer.
PTM-30 Rusia adalah turbin uap terkecil di dunia untuk menghasilkan listrik. Sumber: UrFU
Aplikasi yang paling tidak berhasil dari turbin uap adalah lokomotif uap - lokomotif uap di mana uap dari boiler masuk ke turbin, dan kemudian lokomotif bergerak dengan motor listrik atau karena transmisi mekanis. Secara teoritis, turbin uap memberikan efisiensi berkali-kali lipat dibandingkan lokomotif uap konvensional. Bahkan, ternyata lokomotif uap turbo menampilkan kelebihannya, seperti kecepatan tinggi dan keandalan, hanya pada kecepatan di atas 60 km / jam. Pada kecepatan yang lebih rendah, turbin mengkonsumsi terlalu banyak uap dan bahan bakar. Negara-negara AS dan Eropa bereksperimen dengan turbin uap di lokomotif, tetapi keandalan yang mengerikan dan efisiensi yang meragukan memperpendek umur turbin uap sebagai kelas 10-20 tahun.
Lokomotif turbin uap batubara C&O 500 mematahkan hampir setiap perjalanan, itulah sebabnya setahun setelah dirilis, ia dikirim untuk memo. Sumber: Wikimedia