توربین بخار یک دستگاه قدرت هسته ای است که انرژی حرارتی بخار را به کار مکانیکی تبدیل می کند. اجزای آن حول چهار اصل اصلی طراحی شده اند: «تبدیل انرژی بخار – انتقال انرژی مکانیکی – کنترل عملیاتی – تضمین ایمنی». هر قسمت برای دستیابی به خروجی انرژی کارآمد و پایدار با هم کار می کند. اجزای خاص و عملکرد آنها به شرح زیر است:
1. بخش تبدیل انرژی هسته: سیستم جریان بخار
این هسته تبدیل یک توربین از "انرژی حرارتی → انرژی جنبشی → انرژی مکانیکی" است و مستقیماً کارایی واحد را تعیین می کند. این عمدتا شامل سه جزء کلیدی است: نازل ها، تیغه های روتور و دیافراگم:
- نازل ها (تیغه های استاتور): "اولین مبدل انرژی" برای بخار ورودی به توربین. وقتی بخار با فشار بالا از نازل عبور می کند، کانال باریک می شود و باعث کاهش فشار بخار و افزایش شدید سرعت می شود (انرژی حرارتی بخار را به انرژی جنبشی تبدیل می کند)، جریان بخار با سرعت بالا را تشکیل می دهد که برای کار بعدی که توسط روتور انجام می شود آماده می شود.
-پره های روتور: "مولفه های اجرایی" تبدیل انرژی. هنگامی که جریان بخار با سرعت بالا به پرههای روتور برخورد میکند، نیروی رانش جانبی ایجاد میکند و تیغههای روتور و محور متصل را به چرخش سوق میدهد (انرژی جنبشی جریان بخار را به انرژی مکانیکی روتور تبدیل میکند). آنها منبع مستقیم توان خروجی توربین هستند. شکل تیغه های روتور (به عنوان مثال، نوع پیچ خورده) باید دقیقاً با جهت جریان بخار مطابقت داشته باشد تا از دست دادن انرژی به حداقل برسد.
- دیافراگم ها: "ساختار پشتیبانی و موقعیت یابی" برای نازل ها. دیافراگم ها با یک سوراخ مرکزی برای عبور روتور به دیواره سیلندر ثابت می شوند. عملکرد اصلی آنها تقسیم توربین به چند مرحله فشار (هر مرحله متشکل از مجموعه ای از نازل ها و مجموعه ای از پره های روتور) است، به بخار اجازه می دهد تا از طریق مجموعه های متعدد "نازل-پره روتور" منبسط شود و کار را به تدریج انجام دهد، و به استفاده مرحله ای از انرژی و بهبود راندمان کلی دست یابد.
2. قسمت انتقال انرژی مکانیکی: سیستم دوار
مسئول انتقال انرژی مکانیکی چرخشی تولید شده توسط پره های متحرک به ژنراتور (یا بارهای دیگر)، در حالی که از پایداری در هنگام چرخش با سرعت بالا- اطمینان حاصل می کند. جزء اصلی روتور است، با اجزای پشتیبانی از جمله شفت اصلی، کوپلینگ ها و پروانه ها (یا درام):
- روتور: "هسته چرخان" توربین بخار. با توجه به نوع واحد، آن را به "روتور ضربه ای" و "روتور واکنشی" طبقه بندی می کنند:
- روتور ضربه ای: شامل شفت اصلی، پروانه و تیغه های متحرک است. تیغه های متحرک روی پروانه ثابت می شوند و پروانه روی شفت اصلی نصب می شود. برای واحدهای-فشار بالا و ظرفیت کوچک- مناسب است.
- روتور واکنش: پروانه ندارد و تیغههای متحرک مستقیماً روی محور اصلی (یا درام) ثابت میشوند. روتور سفتی کلی بالاتری دارد و برای واحدهای- با فشار متوسط تا کم{3} و ظرفیت{4}} (مانند توربینهای بخار حرارتی 300 مگاوات و بالاتر) مناسب است.
- شفت و کوپلینگ اصلی: شفت اصلی "اسکلت" روتور است که از پروانه/پره های متحرک پشتیبانی می کند. کوپلینگ ها روتور توربین را به روتور ژنراتور (یا سایر بارها) متصل می کنند و گشتاور دورانی را منتقل می کنند. برای جلوگیری از لرزش در حین کار باید از هم محوری بالا اطمینان حاصل شود.
3. قطعات پشتیبانی و آب بندی ثابت: سیستم استاتور
پشتیبانی ثابتی را برای سیستم دوار فراهم می کند، حاوی بخار است و از نشت بخار (که بر راندمان تأثیر می گذارد) و ورود هوا (که خلاء را مختل می کند) جلوگیری می کند. این عمدتا شامل سیلندر، آب بندی بخار و یاتاقان ها می شود:
- سیلندر: "پوسته" توربین. ساخته شده از فولاد ریخته گری یا فولاد آلیاژی، که به-سیلندر فشار قوی، سیلندر فشار متوسط-و سیلندر فشار کم- (برای واحدهای چند-سیلندری) تقسیم می شود. در داخل، اجزایی مانند دیافراگم ها، نازل ها و روتورها را در خود جای داده و یک گذرگاه بخار بسته را تشکیل می دهد. سیلندر باید از استحکام کافی برای تحمل فشار و دمای بخار بالا برخوردار باشد و برای جلوگیری از نشت بخار باید با فلنج و پیچ و مهره آب بندی شود.
- Steam Seals: "جزئیات کلیدی ضد-نشتی." به سه نوع تقسیم می شود:
- مهر و موم شفت: در جایی نصب میشود که روتور از سیلندر عبور میکند و از نشت بخار با فشار بالا در داخل سیلندر در امتداد انتهای شفت (کاهش اتلاف انرژی) یا هوای سمت کندانسور (آسیب زدن به خلاء) جلوگیری میکند.
- دیافراگم Steam Seal: در شکاف بین سوراخ مرکزی دیافراگم و روتور نصب میشود و از جریان بخار بین مراحل فشار مجاور جلوگیری میکند (جلوگیری از اتلاف انرژی بین مرحلهای).
- درزگیر بخار تیغه تیغه: در شکاف بین بالای تیغههای متحرک و دیواره داخلی سیلندر نصب میشود که نشت بخار را از بالای تیغهها کاهش میدهد و راندمان مرحله را بهبود میبخشد.
- بلبرینگ: اجزای "پشتیبانی و کاهش اصطکاک- روتور." به یاتاقان های شعاعی و یاتاقان های رانش تقسیم می شوند:
- یاتاقانهای شعاعی: وزن روتور را پشتیبانی میکند، چرخش شعاعی ثابت روتور را تضمین میکند و از اصطکاک با اجزای استاتور جلوگیری میکند.
- یاتاقانهای رانش: فشار محوری روی روتور را که ناشی از بخار است (به دلیل اختلاف فشار) تحمل کنید، از حرکت محوری روتور جلوگیری میکند و شکافهای پایدار بین تیغههای متحرک و ثابت را حفظ میکند.
4. بخش کنترل عملیات: سیستم های تنظیم و حفاظت
خروجی توربین را با توجه به نیازهای بار خارجی (مانند تغییرات در مصرف برق شبکه برق) تنظیم کنید و در عین حال از واحد در شرایط غیرعادی محافظت کنید. اجزای اصلی شامل سیستم تنظیم و سیستم حفاظتی است:
- سیستم تنظیم: «مرکز کنترل بار». این شامل یک گاورنر، محرک هیدرولیک، شیر کنترل و مکانیزم انتقال است:
1. گاورنر (مانند گریز از مرکز یا الکترو{1} نوع هیدرولیک) سرعت روتور را در زمان واقعی- نظارت می کند. هنگامی که تغییرات بار باعث انحراف سرعت از مقدار نامی می شود (به عنوان مثال، کاهش مصرف برق شبکه → افزایش سرعت)، سیگنالی را تولید می کند.
2. سیگنال به محرک هیدرولیک منتقل می شود، که شیر کنترل (نصب شده در ورودی بخار توربین) را به حرکت در می آورد.
3. شیر کنترل جریان بخار را تنظیم می کند (به عنوان مثال، اگر سرعت افزایش یابد، شیر برای کاهش بخار کمی بسته می شود)، در حالی که خروجی واحد را متناسب با بار تنظیم می کند، ثبات سرعت روتور را بازیابی می کند.
- سیستم حفاظتی: «خط ایمنی». هنگامی که دستگاه با شرایطی مواجه می شود که ایمنی را تهدید می کند (مانند سرعت زیاد، فشار کم روغن روانکاری، جابجایی محوری بیش از حد، یا از دست دادن خلاء)، اقدامات حفاظتی به طور خودکار فعال می شوند، مانند بستن دریچه بخار اصلی برای قطع بخار، یا باز کردن دریچه قطع اضطراری برای آزاد کردن روغن، و مجبور به خاموش شدن و جلوگیری از آسیب دیدن تجهیزات توربین می شوند.
5. افزایش بهره وری کمکی: سیستم های متراکم و روانکاری
اگرچه آنها مستقیماً در تبدیل انرژی شرکت نمی کنند، اما این سیستم ها بازده عملیاتی و طول عمر تجهیزات واحد را تعیین می کنند و به عنوان "سیستم ضمانت" برای عملکرد پایدار توربین عمل می کنند:
- سیستم تراکم (عمدتاً برای توربین های متراکم استفاده می شود): "کلید بهبود بهره وری." این شامل کندانسور، پمپ خلاء و پمپ میعانات است:
- کندانسور: بخار خروجی توربین (-بخار کم فشار) را به آب متراکم میکند و خلأ بالایی ایجاد میکند (فشار اگزوز به 0.005-0.01 مگاپاسکال کاهش مییابد)، دما و فشار خروجی بخار را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد، اختلاف آنتالپی را افزایش میدهد. بهبود کارایی واحد؛
- پمپ خلاء: خلاء کندانسور را با حذف هوایی که در حین تراکم به داخل نشت میکند، حفظ میکند.
- پمپ میعانات: آب تغلیظ شده (میعانات) را برای گرم کردن مجدد به بخار به دیگ بخار پمپ می کند و امکان بازیافت سیال کار (آب-بخار) و کاهش مصرف منابع آب را فراهم می کند.
- سیستم روانکاری: "گارانتی طول عمر تجهیزات." این شامل مخزن روغن، پمپ روغن روانکاری، خنک کننده روغن و فیلتر روغن است:
- پمپ روغن روان کننده: روغن روان کننده را از مخزن تحت فشار قرار می دهد و آن را به اجزای دوار مانند یاتاقان های شعاعی و رانش می رساند و یک لایه روغن تشکیل می دهد تا اصطکاک و سایش را کاهش دهد.
- کولر روغن: روغن روان کننده را با آب خنک می کند (جلوگیری از آسیب به لایه روغن ناشی از دمای بیش از حد روغن).
- فیلتر روغن: ناخالصی های روغن را فیلتر می کند تا از تمیزی روغن روان کننده اطمینان حاصل شود.
خلاصه: منطق هماهنگ هر جزء
بخار با فشار بالا ابتدا وارد سیستم جریان بخار می شود، جایی که توسط نازل ها شتاب می گیرد تا چرخش تیغه های متحرک را هدایت کند. تیغه های متحرک سیستم چرخش (روتور) را هدایت می کنند و انرژی مکانیکی را از طریق یک کوپلینگ به ژنراتور منتقل می کنند. سیستم استاتور (سیلندر، آب بندی بخار) تضمین می کند که بخار نشت نمی کند و روتور به طور پایدار می چرخد. سیستم کنترل ورودی بخار را با توجه به بار تنظیم می کند، در حالی که سیستم حفاظتی به شرایط غیرعادی پاسخ می دهد. سیستم چگالش راندمان را بهبود می بخشد و سیستم روانکاری از تجهیزات محافظت می کند-هر قسمت به طور نزدیک با هم کار می کند و در نهایت به تبدیل کارآمد "انرژی حرارتی بخار → انرژی الکتریکی (یا انرژی مکانیکی) می رسد."
