Parna turbina je mehanika sprava koja izdvaja termalnu energiju iz pare pod pritiskom i pretvara je u koristan mehaniki rad. Pripada grupi toplotnih motora, poput motora sa unutranjim sagorevanjem(SUS) i parne maine, koji pretvaraju toplotnu energiju u mehaniki rad. Sa druge strane, parna turbina spada u grupu turbomaina zajedno sa pumpama, ventilatorima, hidraulinim i gasnim turbinama i turbokompresorima. Ui deo ove grupe predstavlja grupa toplotnih turbomaina koju ine parne i gasne turbine i turbokompresori.

(Curtis) ,

U turbomainama se rad direktno dobija preko obrtnog kretanja radnih delova kada su u pitanju turbine, ili se pak ulae putem obrtnog kretanja radi poveanja energije gasa ili tenosti koja struji kroz mainu (pumpe, ventilatori, kompresori). Potrebno je napomenuti da kompresori i pumpe nisu neophodno turbomaine. Postoje klipni kompresori, klipne, zapreminske i zupaste pumpe. Npr. re "kompresor" predstavlja namenu ureaja, dok re "turbo" govori o nainu izvravanja njegove funkcije. Parne turbine se koriste za pogon plovila, raznih maina pri procesima u industriji - pumpi, kompresora, mlinova itd., ali najvie se koriste u energetici za pokretanje elektrinih generatora u elektranama. Visok stepen korisnosti postrojenja, velikih snaga, velik odnos snage prema masi maine, sigurnost u pogonu, visok stepen automatizacije neki su od razloga da parna turbina i danas zauzima vodee mesto u proizvodnji elektrine energije.[]

1 Termodinamike osnove 2 Elementi postrojenja 3 Turbopostrojenje i parni blok 4 Istorijski razvoj 5 Princip rada 6 Podele

7 Stepen korisnog dejstva 8 Regulacija broja obrtaja 9 Kombinovana proizvodnja elektrine i toplotne energije 10 Perspektiva 11 Vidi jo

[]Termodinamike

osnove

Dobijanje rada u toplotnim motorima se odvija pomou radnog tela - fluida (gasa, pare odnosno tenosti ili meavine), jim se promenama stanja u toku procesa od dovedene toplote finalno dobija mehaniki rad. To znai, da bismo pokrenuli toplotni motor moramo mu dovoditi odreenu koliinu toplote iz toplotnog izvora, koju emo u radnom ciklusu prevesti u koristan rad. Meutim, da bi ovakva maina davala rad permanentno, posle izvrenog rada moramo jednu koliinu neiskoriene toplote odvesti iz procesa da bi se radno telo vratilo u prvobitno stanje i proces poeo iznova. Ovo je direktno povezano sa drugim zakonom termodinamike i govori nam da, osim toplotnog izvora, moramo imati i toplotni ponor, kome emo predati jedan deo toplote koja nam predstavlja ist, ali i neizbean gubitak. Uproeno gledano, svaki termodinamiki ciklus toplotnog motora se sastoji iz sabijanja radnog tela, dovoenja toplote, irenja radnog tela (pri emu se dobija rad) i odvoenja jednog dela toplote. Naravno, za sabijanje radnog tela na poetku procesa potrebno je uloiti neki rad. Najjednostavnije je ako jedan deo dobijenog rada na kraju procesa uloimo u to sabijanje, to nam ostavlja viak, koristan neiskorien rad za pokretanje neke maine koju mi elimo u pogonu.

[]Elementi

postrojenja

U parnoj turbini proces zapoinje uvoenjem vode u pumpu, koja je sabija i die njen pritisak na eljenu vrednost. Zatim se dovodi toplota tako da voda u cevima postrojenja poinje da kljua, i najzad potpuno isparava, ime se dobija suvozasiena para. Ako se nakon toga para jo zagreva, kae se da turbina radi sa pregrejanom parom. Para se zatim uvodi u turbinu i tu predaje deo svoje energije rotoru turbine, pri emu joj pada pritisak i iri se. Nain na koji ona predaje energiju rotoru e biti objanjen kasnije, ali za sad je dovoljno dati primer vezan za klipne motore: sa jedne strane cilindra imamo zatvoren, zagrejan gas pod visokim pritiskom (produkti sagorevanja), dok je sa druge strane klipa normalan, atmosferski pritisak. Gas pod visokim pritiskom gura klip pri emu se poveava zapremina u kojoj je on zarobljen, i time se gas iri i hladi. Klip je povezan sa klipnjaom, ova opet sa kolenastim vratilom.. i tako sve do tokova, ije okretanje stavlja vozilo u pokret. Znai u ovom sluaju gas u cilindru, preko klipa motora daje koristan rad koji se suprotstavlja otporu kretanja vozila.

Tako para koja je obavila rad izlazi iz turbine rairena i ohlaena (i ve delimino kondenzovana), i sada je potrebno dodatno je ohladiti kako bi se vratila u poetno stanje i kruni proces mogao krenuti iznova. Dakle, potreban je ranije spomenuti toplotni ponor, da preuzme ovaj viak energije. U praksi to e najee biti okolina, pogotovo za velika postrojenja. Koristei okolni vazduh ili vodu iz reke hladimo paru sa izlaska iz turbine dok se potpuno ne kondenzuje. Zatim voda moe ponovo otii u pumpu. To znai da para na izlasku iz turbine mora biti neto vie temperature od okoline, da bi mogla biti hlaena telima uzetim iz okoline. Ovo direktno odreuje veliinu odvedene, "neophodno baene" toplote. Deo postrojenja gde se radno telo hladi i kondenzuje uz pomo rashladne vode naziva se kondenzator. U kondenzatoru vlada pritisak dosta ispod atmosferskog, da bi se kondenzovanje pare moglo odvijati na temperaturama jedva neto viim od temperature okolne (a ne na 100 stepeni celzijusa kao na atmosferskom pritisku). Turbine spadaju u protone maine koje kontinualno daju rad, za razliku od klipnih motora koji daju rad u "naletima". Radni fluid kod parnih turbina (PT) prima toplotu od spoljneg izvora za razliku od, recimo, dizel i benzinskih motora, gde se toplota dovodi iznutra - sagorevanjem goriva u samom radnom telu (vazduhu), tako da PT nije motor sa unutranjim sagorevanjem. Takoe parna turbina ima (najee) zatvoren ciklus, gde se radno telo iznova vraa u proces po njegovom zavretku. Bitno je

napomenuti da se pod parom ne misli na vodenu paru i ako je ona najvie u primeni zbog praktinih razloga dostupnosti i cene. Parne turbine rade sa ivinim parama, sa parama freona i drugih rashladnih tenosti. Teoretski gledano, ciklus se moe ostvariti sa parom bilo koje supstance ako bi on bio u granici temperatura izvora i ponora. Ipak, velike industrijske i energetske maine su projektovane i graene iskljuivo za rad sa vodom i vodenom parom iz praktinih razloga. []Turbopostrojenje

i parni blok

Radno telo se zagreva u parnom kotlu gde mu se predaje toplota dobijena sagorevanjem goriva, najee fosinlih. U tom sluaju, zagrejani produkti sagorevanja predstavljaju toplotni izvor. Takoe, moe se koristiti otpadna toplota od neke druge maine ili industrijskog procesa. Kod nuklearnih postrojenja voda, odnosno para, zagrevaju se toplotom dobijenom u nuklearnom reaktoru. Parna turbina sa kondenzatorom, pumpama, cevovodima i ostalom prateom opremom se naziva turbopostrojenje. Turbopostrojenje zajedno sa parnim kotlom, odnosno sa kotlovskim postrojenjem naziva se parni blok. []Istorijski

razvoj

Ono to bi se moglo nazvati prvom poznatom parnom turbinom napravio je Heron Aleksandrijski 120 godina pre nove ere. To je bio mali loptasti rezervoar zagrevan plamenom sa dva izbaena mlaznika koji su okretali napravu oko osovine. Drugu, koja je imala i praktinu primenu, napravio je apotekar ovani de Branka 1629. godine i pogonila je apotekarski mlin. Nastanak i razvoj termodinamike omoguavaju nauni razvoj savremenih toplotnih maina. Pojava moderne parne turbine deava se krajem XIX veka gde je vie pronalazaa i strunjaka ostavilo trag. Engleski inenjer Ser arls Parsons patentira svoju reakcionu turbinu 1884. godine, u kojoj je para preradjivana u vie koraka. Tokom 1880tih, vedski inenjer Gustav de Laval je razvio vei broj reakcionih turbina koje su radile sa 40000 obrtaja u minuti. Kasnije se okrenuo jednostupanjskim akcionim turbinama kod kojih se para ubrzavala do velikih brzina u konvergentno-divergentnim mlaznicima. Oko 1900. godine najvea instalisana snaga parne turbine bila je 1200 kW, dok je deset godina kasnije iznosila 30000 kW. Dananji konvencionalni blokovi velike snage rade na 600 MW, dok blokovi najvee snage dostiu i 1500MW. []Princip

rada

Ve je napomenuto da se para u turbini prerauje u jednom ili vie koraka i pri tome se u svakom koraku iskoristi jedan deo njene energije. Ovo se obavlja u stupnjevima turbine. Stupanj turbine ine nepokretna reetka pretkola, privrena za kuite i pokretna reetka radnog kola, spojena sa vratilom. Pod reetkom se podrazumeva vei broj identinih aeroprofila postavljenih na istom meusobnom odstojanju. Kod turbomaina se misli na krune reetke, gde su lopatice (aeroprofilna tela) postavljene osnosimetrino. Lopatice radnog kola zajedno sa vratilom ine rotor koji se oslanja na leita.

Para pod visokim pritiskom nailazi prvo na nepokretne lopatice pretkola. One skreu struju pare i usmeravaju je pod odreenim uglom. Pri tome se kanali izmeu lopatica suavaju i time se vri ubrzavanje struje pare. Tako para biva skrenuta i primetno ubrzana. Ukupna energija pare ostaje ista, ali se njena kinetika energija poveala na raun energije usled pritiska i temperature. Tako je para sada rairena, na niem pritisku i temperaturi nego pre poetka procesa. Ovako ubrzana para sada struji preko pokretnih lopatica radnog kola koje je samo skreu. Ova promena smera strujanja pare dovodi do stvaranja sile koja gura lopatice suprotno od pravca promene brzine pare, a poto se one mogu slobodno okretati sa vratilom, to uzrokuje obrtanje rotora. Para sada izlazi sa istim pritiskom i temperaturom kao i pre radnog kola, ali sa smanjenom brzinom, to znai da je jedan deo energije predat rotoru kao mehaniki rad. Zatim para odlazi u naredni stupanj gde se proces odvija iz poetka, i tako sve do poslednjeg stupnja i ulaska u kondenzator. Prethodno opisan proces se odnosi na akcioni stupanj. Reakcioni stupanj je onaj kod kog se para u radnom kolu ne samo skree, nego i dodatno ubrzava. Svaki od ove dve vrste stupnjeva ima svoje mane i prednosti. Akcioni stupnjevi mogu preraditi veu koliinu energije pri dobrom stepenu korisnosti, ali se mora pribegavati specijalnim konstrukcijskim reenjima da bi se smanjio neeljeni prolazak pare kroz zazore izmeu pokretnih i nepokretnih delova, to ga ini i skupljim. Reakcioni stupanj je jednostavniji za izradu ali daje manju koliinu rada, pa reakciona turbina mora imati vei broj stupnjeva. Svrha postojanja vie stupnjeva je u sledeem: stupanj se moe izraditi da ubrzava paru do enormnih brzina i da jedan stupanj prerauje ogromnu koliinu energije; meutim, gubici usled trenja pri ovako velikim brzinama bi bili jako veliki - toliki da bi stupanj radio sa izuzetno niskim stepenom korisnosti.

[]Podele Po nainu strujanja turbine se dele na aksijalne i radijalne, prema smeru strujanja pare u odnosu na osu obrtanja rotora. Kod radijalnih turbina para struji upravno na osu obrtanja. Sve to je ve reeno se odnosi i na ovaj tip turbine osim to ovde centrifugalna sila igra ulogu i u pojednostavljenom procesu. Samo manje maine se izvode kao radijalne, dok su velike, energetske, iskljuivo aksijalnog tipa. Prema broju stupnjeva, turbomaine se dele na jednostupne i viestupne. Turbine velikih snaga imaju oko 30 stupnjeva. Kod veih snaga, turbine se grade sa veim brojem oklopa, tako da kod velikih maina imamo turbinu niskog pritiska, srednjeg pritiska i niskog pritiska sa sopstvenim kuitima i otvorima za zajedniko vratilo. Najvee turbine se grade sa dva vratila i zasebnim generatorima.

Parne turbine, osim to mogu biti kondenzacione (o kakvim smo ve govorili), gde para odlazi u kondenzator, mogu biti i protivpritisne. Kod protivpritisnih turbina para na izlasku iz turbine ima dosta viu temperaturu od okoline i koristi se za industrijske procese i grejanje sanitarne vode. []Stepen

korisnog dejstva

Stepen korisnosti toplotnih motora predstavlja odnos dobijenog rada i uloene toplote po jednom ciklusu. Kod konvencionalnih postrojenja on se kree u rasponu 0.3 -0.4. Poveanje stepena korisnosti nam prua mogunost veeg iskorienja polazne energije. Stepen korisnosti se moe poveavati dovoenjem toplote pri viim temperaturama i pritiscima, to je uslovljeno razvojem novih konstrukcionih materijala. Isto tako, povienje stepena korisnosti se postie oduzimanjem jednog dela pare iz turbine za potrebe zagrevanja vode pred ulazak u kotao, u ta se ovde nee dublje ulaziti. Kod konvencijalnih blokova velike snage para na ulazu u turbinu je temperature oko 500 - 550 stepena celzijusa, sa pritiskom od oko 180 bara. []Regulacija

broja obrtaja

Regulacija broja obrtaja je kljuna kod turbina uopte. Kod putanja turbine u pogon, nagla promena broja obrtaja moe biti fatalna i uzrokovati trajna oteenja. Pri naglom smanjenju optereenja bez uea regulacije dolazi do naglog poveavanja broja obrtaja, sve do razaranja rotora. Turbine koriene u energetici su direktno povezane sa generatorima elektrine energije, to znai da moraju imati taan broj obrtaja od 50Hz (3000 obrt/min) i moraju biti sinhronizovane sa elektrinom mreom. Ovo se odnosi na turbine sa dvopolnim generatorima. Turbine najveih snaga imaju etvoropolne generatore i moraju se obrtati sa uestalosti od 25Hz. []Kombinovana

proizvodnja elektrine i toplotne energije

Parne turbine se u energetici esto koriste i za proizvodnju toplote, na primer za daljinsko grejanje. Ovo se radi zbog toga to ovakvo postrojenje ima vei ukupan stepen korisnosti proizvodnje toplote i el. energije nego kod sluaja odvojene proizvodnje. Ve smo spomenuli protivpritisne turbine kod kojih se sva para uzima iz turbine pri viim temperaturama i koristi se za grejanje i industrijske procese. esto i kondenzaciona postrojenja imaju oduzimanje jednog dela pare za potrebe grejanja pre izlaska iz turbine. []Perspektiva Iako parna turbina predstavlja relativno zastareo koncept mehanike naprave i pri ne tako futuristikim razmatranjima, ona nee biti skoro potisnuta iz energetike. Mnogi napredniji principi dobijanja el. energije imaju ipak nii stepen korisnosti i dosta veu cenu. ak i kada bude potisnuta u drugi plan, parna turbina e se primenjivati za iskorienje otpadne toplote buduih postrojenja. Ovo se odnosi prevashodno na gorive elije koje se smatraju izvorom energije budunosti. Za sada, korienjem boljih procesa i razvojem novih tipova nuklearnih reaktora parne turbine ostaju na vodeoj poziciji. Takoe je sve ea njihova upotreba u okviru kombinovanog postrojenja parne i gasne turbine, gde

se izduvni gasovi iz gasne turbine, koji su visoke temperature, koriste za zagrevanje radnog tela u parnom postrojenju. Ovakvo postrojenje ima stepen korisnosti oko 0.6 i predstavlja toplotni motor sa najveim stepenom korisnosti.

Akcione turbine Iskoristavaju samo kineticku energiju toka.. -udubljenje lopatica -okrecu se u vazduhu - koriste se za velike padove i pritiske