Parna turbina je mehanička sprava koja izdvaja termalnu energiju iz pare pod pritiskom i pretvara je u

koristan mehanički rad. Pripada grupi toplotnih motora, poput motora sa unutrašnjim

sagorevanjem(SUS) i parne mašine, koji pretvaraju toplotnu energiju u mehanički rad. Sa druge

strane, parna turbina spada u grupu turbomašina zajedno sa pumpama, ventilatorima, hidrauličnim i

gasnim turbinama i turbokompresorima. Uži deo ove grupe predstavlja grupa toplotnih turbomašina

koju čine parne i gasne turbine i turbokompresori.

Једностепена Кертис (Curtis) парна турбина, пресјек

U turbomašinama se rad direktno dobija preko obrtnog kretanja radnih delova kada su u pitanju

turbine, ili se pak ulaže putem obrtnog kretanja radi povećanja energije gasa ili tečnosti koja struji kroz

mašinu (pumpe, ventilatori, kompresori).

Potrebno je napomenuti da kompresori i pumpe nisu neophodno turbomašine. Postoje klipni

kompresori, klipne, zapreminske i zupčaste pumpe. Npr. reč "kompresor" predstavlja namenu uređaja,

dok reč "turbo" govori o načinu izvršavanja njegove funkcije.

Parne turbine se koriste za pogon plovila, raznih mašina pri procesima u industriji - pumpi,

kompresora, mlinova itd., ali najviše se koriste u energetici za pokretanje električnih

generatora u elektranama. Visok stepen korisnosti postrojenja, velikih snaga, velik odnos

snage prema masi mašine, sigurnost u pogonu, visok stepen automatizacije neki su od razloga

da parna turbina i danas zauzima vodeće mesto u proizvodnji električne energije.

Садржај

 [сакриј]

1   Termodinamičke 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 električne i toplotne energije

10   Perspektiva

11   Vidi još

[уреди]Termodinamičke osnove

Dobijanje rada u toplotnim motorima se odvija pomoću radnog tela - fluida (gasa, pare odnosno

tečnosti ili mešavine), čjim se promenama stanja u toku procesa od dovedene toplote finalno dobija

mehanički rad.

To znači, da bismo pokrenuli toplotni motor moramo mu dovoditi određenu količinu toplote iz toplotnog

izvora, koju ćemo u radnom ciklusu prevesti u koristan rad. Međutim, da bi ovakva mašina davala rad

permanentno, posle izvršenog rada moramo jednu količinu neiskorišćene toplote odvesti iz procesa da

bi se radno telo vratilo u prvobitno stanje i proces počeo iznova. Ovo je direktno povezano sa drugim

zakonom termodinamike i govori nam da, osim toplotnog izvora, moramo imati i toplotni ponor, kome

ćemo predati jedan deo toplote koja nam predstavlja čist, ali i neizbežan gubitak.

Uprošćeno gledano, svaki termodinamički ciklus toplotnog motora se sastoji iz sabijanja radnog tela,

dovođenja toplote, širenja radnog tela (pri čemu se dobija rad) i odvođenja jednog dela toplote.

Naravno, za sabijanje radnog tela na početku procesa potrebno je uložiti neki rad. Najjednostavnije je

ako jedan deo dobijenog rada na kraju procesa uložimo u to sabijanje, što nam ostavlja višak, koristan

neiskorišćen rad za pokretanje neke mašine koju mi želimo u pogonu.

[уреди]Elementi postrojenja

U parnoj turbini proces započinje uvođenjem vode u pumpu, koja je sabija i diže njen pritisak na

željenu vrednost. Zatim se dovodi toplota tako da voda u cevima postrojenja počinje da ključa, i najzad

potpuno isparava, čime se dobija suvozasićena para. Ako se nakon toga para još zagreva, kaže se da

turbina radi sa pregrejanom parom. Para se zatim uvodi u turbinu i tu predaje deo svoje

energije rotoru turbine, pri čemu joj pada pritisak i širi se. Način na koji ona predaje energiju rotoru će

biti objašnjen 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 čemu se povećava

zapremina u kojoj je on zarobljen, i time se gas širi i hladi. Klip je povezan sa klipnjačom, ova opet sa

kolenastim vratilom.. i tako sve do točkova, čije okretanje stavlja vozilo u pokret. Znači u ovom slučaju

gas u cilindru, preko klipa motora daje koristan rad koji se suprotstavlja otporu kretanja vozila.

Tako para koja je obavila rad izlazi iz turbine raširena i ohlađena (i već delimično kondenzovana), i

sada je potrebno dodatno je ohladiti kako bi se vratila u početno stanje i kružni proces mogao krenuti

iznova.

Dakle, potreban je ranije spomenuti toplotni ponor, da preuzme ovaj višak energije. U praksi to će

najčešće biti okolina, pogotovo za velika postrojenja. Koristeći okolni vazduh ili vodu iz reke hladimo

paru sa izlaska iz turbine dok se potpuno ne kondenzuje. Zatim voda može ponovo otići u pumpu. To

znači da para na izlasku iz turbine mora biti nešto više temperature od okoline, da bi mogla biti

hlađena telima uzetim iz okoline. Ovo direktno određuje veličinu odvedene, "neophodno bačene"

toplote. Deo postrojenja gde se radno telo hladi i kondenzuje uz pomoć rashladne vode naziva se

kondenzator. U kondenzatoru vlada pritisak dosta ispod atmosferskog, da bi se kondenzovanje pare

moglo odvijati na temperaturama jedva nešto višim od temperature okolne (a ne na 100 stepeni

celzijusa kao na atmosferskom pritisku).

Turbine spadaju u protočne mašine 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 unutrašnjim sagorevanjem. Takođe parna turbina ima

(najčešće) zatvoren ciklus, gde se radno telo iznova vraća u proces po njegovom završetku. Bitno je

napomenuti da se pod parom ne misli na vodenu paru i ako je ona najviše u primeni zbog praktičnih

razloga dostupnosti i cene. Parne turbine rade sa živinim parama, sa parama freona i drugih

rashladnih tečnosti. Teoretski gledano, ciklus se može ostvariti sa parom bilo koje supstance ako bi on

bio u granici temperatura izvora i ponora. Ipak, velike industrijske i energetske mašine su projektovane

i građene isključivo za rad sa vodom i vodenom parom iz praktičnih razloga.

[уреди]Turbopostrojenje i parni blok

Radno telo se zagreva u parnom kotlu gde mu se predaje toplota dobijena sagorevanjem goriva,

najčešće fosinlih. U tom slučaju, zagrejani produkti sagorevanja predstavljaju toplotni izvor. Takođe,

može se koristiti otpadna toplota od neke druge mašine ili industrijskog procesa. Kod nuklearnih

postrojenja voda, odnosno para, zagrevaju se toplotom dobijenom u nuklearnom reaktoru.

Parna turbina sa kondenzatorom, pumpama, cevovodima i ostalom pratećom opremom se naziva

turbopostrojenje. Turbopostrojenje zajedno sa parnim kotlom, odnosno sa kotlovskim postrojenjem

naziva se parni blok.

[уреди]Istorijski razvoj

Ono što 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 izbačena mlaznika

koji su okretali napravu oko osovine. Drugu, koja je imala i praktičnu primenu, napravio je apotekar

Đovani de Branka 1629. godine i pogonila je apotekarski mlin. Nastanak i razvoj termodinamike

omogućavaju naučni razvoj savremenih toplotnih mašina. Pojava moderne parne turbine dešava se

krajem XIX veka gde je više pronalazača i stručnjaka ostavilo trag. Engleski inženjer Ser Čarls

Parsons patentira svoju reakcionu turbinu 1884. godine, u kojoj je para preradjivana u više koraka.

Tokom 1880tih, švedski inženjer Gustav de Laval je razvio veći 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 najveća

instalisana snaga parne turbine bila je 1200 kW, dok je deset godina kasnije iznosila 30000 kW.

Današnji konvencionalni blokovi velike snage rade na 600 MW, dok blokovi najveće snage dostižu i

1500MW.

[уреди]Princip rada

Već je napomenuto da se para u turbini prerađuje u jednom ili više koraka i pri tome se u svakom

koraku iskoristi jedan deo njene energije. Ovo se obavlja u stupnjevima turbine. Stupanj turbine čine

nepokretna rešetka pretkola, pričvršćena za kućište i pokretna rešetka radnog kola, spojena sa

vratilom. Pod rešetkom se podrazumeva veći broj identičnih aeroprofila postavljenih na istom

međusobnom odstojanju. Kod turbomašina se misli na kružne rešetke, gde su lopatice (aeroprofilna

tela) postavljene osnosimetrično. Lopatice radnog kola zajedno sa vratilom čine rotor koji se oslanja

na ležišta.

Para pod visokim pritiskom nailazi prvo na nepokretne lopatice pretkola. One skreću struju pare i

usmeravaju je pod određenim uglom. Pri tome se kanali između lopatica sužavaju i time se vrši

ubrzavanje struje pare. Tako para biva skrenuta i primetno ubrzana. Ukupna energija pare ostaje ista,

ali se njena kinetička energija povećala na račun energije usled pritiska i temperature. Tako je para

sada raširena, na nižem pritisku i temperaturi nego pre početka procesa. Ovako ubrzana para sada

struji preko pokretnih lopatica radnog kola koje je samo skreću. Ova promena smera strujanja pare

dovodi do stvaranja sile koja gura lopatice suprotno od pravca promene brzine pare, a pošto 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, što znači da je jedan deo energije

predat rotoru kao mehanički rad. Zatim para odlazi u naredni stupanj gde se proces odvija iz početka, 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 skreće, nego i dodatno ubrzava.

Svaki od ove dve vrste stupnjeva ima svoje mane i prednosti. Akcioni stupnjevi mogu preraditi veću

količinu energije pri dobrom stepenu korisnosti, ali se mora pribegavati specijalnim konstrukcijskim

rešenjima da bi se smanjio neželjeni prolazak pare kroz zazore između pokretnih i nepokretnih delova,

što ga čini i skupljim. Reakcioni stupanj je jednostavniji za izradu ali daje manju količinu rada, pa

reakciona turbina mora imati veći broj stupnjeva. Svrha postojanja više stupnjeva je u sledećem:

stupanj se može izraditi da ubrzava paru do enormnih brzina i da jedan stupanj prerađuje ogromnu

količinu energije; međutim, gubici usled trenja pri ovako velikim brzinama bi bili jako veliki - toliki da bi

stupanj radio sa izuzetno niskim stepenom korisnosti.

[уреди]Podele

Po načinu 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 što je već rečeno

se odnosi i na ovaj tip turbine osim što ovde centrifugalna sila igra ulogu i u pojednostavljenom

procesu. Samo manje mašine se izvode kao radijalne, dok su velike, energetske, isključivo aksijalnog

tipa.

Prema broju stupnjeva, turbomašine se dele na jednostupne i višestupne. Turbine velikih snaga imaju

oko 30 stupnjeva.

Kod većih snaga, turbine se grade sa većim brojem oklopa, tako da kod velikih mašina imamo turbinu

niskog pritiska, srednjeg pritiska i niskog pritiska sa sopstvenim kućištima i otvorima za zajedničko

vratilo. Najveće turbine se grade sa dva vratila i zasebnim generatorima.

Parne turbine, osim što mogu biti kondenzacione (o kakvim smo već govorili), gde para odlazi u

kondenzator, mogu biti i protivpritisne. Kod protivpritisnih turbina para na izlasku iz turbine ima dosta

višu temperaturu od okoline i koristi se za industrijske procese i grejanje sanitarne vode.

[уреди]Stepen korisnog dejstva

Stepen korisnosti toplotnih motora predstavlja odnos dobijenog rada i uložene toplote po jednom

ciklusu. Kod konvencionalnih postrojenja on se kreće u rasponu 0.3 -0.4. Povećanje stepena

korisnosti nam pruža mogućnost većeg iskorišćenja polazne energije. Stepen korisnosti se može

povećavati dovođenjem toplote pri višim temperaturama i pritiscima, što je uslovljeno razvojem novih

konstrukcionih materijala. Isto tako, povišenje stepena korisnosti se postiže oduzimanjem jednog dela

pare iz turbine za potrebe zagrevanja vode pred ulazak u kotao, u šta se ovde neće 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.

[уреди]Regulacija broja obrtaja

Regulacija broja obrtaja je ključna kod turbina uopšte. Kod puštanja turbine u pogon, nagla promena

broja obrtaja može biti fatalna i uzrokovati trajna oštećenja. Pri naglom smanjenju opterećenja bez

učešća regulacije dolazi do naglog povećavanja broja obrtaja, sve do razaranja rotora.

Turbine korišćene u energetici su direktno povezane sa generatorima električne energije, što znači da

moraju imati tačan broj obrtaja od 50Hz (3000 obrt/min) i moraju biti sinhronizovane sa električnom

mrežom. Ovo se odnosi na turbine sa dvopolnim generatorima. Turbine najvećih snaga imaju

četvoropolne generatore i moraju se obrtati sa učestalosti od 25Hz.

[уреди]Kombinovana proizvodnja električne i toplotne energije

Parne turbine se u energetici često koriste i za proizvodnju toplote, na primer za daljinsko grejanje.

Ovo se radi zbog toga što ovakvo postrojenje ima veći ukupan stepen korisnosti proizvodnje toplote i

el. energije nego kod slučaja odvojene proizvodnje. Već smo spomenuli protivpritisne turbine kod kojih

se sva para uzima iz turbine pri višim temperaturama i koristi se za grejanje i industrijske procese.

Često i kondenzaciona postrojenja imaju oduzimanje jednog dela pare za potrebe grejanja pre izlaska

iz turbine.

[уреди]Perspektiva

Iako parna turbina predstavlja relativno zastareo koncept mehaničke naprave i pri ne tako futurističkim

razmatranjima, ona neće biti skoro potisnuta iz energetike. Mnogi napredniji principi dobijanja el.

energije imaju ipak niži stepen korisnosti i dosta veću cenu. Čak i kada bude potisnuta u drugi plan,

parna turbina će se primenjivati za iskorišćenje otpadne toplote budućih postrojenja. Ovo se odnosi

prevashodno na gorive ćelije koje se smatraju izvorom energije budućnosti. Za sada, korišćenjem

boljih procesa i razvojem novih tipova nuklearnih reaktora parne turbine ostaju na vodećoj poziciji.

Takođe je sve češća 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

najvećim stepenom korisnosti.

Akcione turbine

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