¿Cuál es el principio de generación de energía con turbinas de vapor?

La turbina de vapor es la máquina eléctrica para la generación de energía térmica. La turbina de vapor impulsa el motor para generar electricidad. La turbina de vapor es una máquina eléctrica giratoria que convierte la energía del vapor en trabajo mecánico. Es uno de los principales equipos de las centrales eléctricas de vapor. Una turbina de vapor es un tipo de turbomaquinaria, también conocida como turbina de vapor. En el siglo I d.C., Héroe de Alejandría describió una bola de vapor que giraba por la fuerza de reacción del vapor, también conocida como rueda eólica. Este fue el primer prototipo de turbina de vapor de reacción; en 1629, Branca de Italia propuso la idea de. ​una bola de vapor que incide sobre las aspas por el flujo de vapor y la rueca. A finales del siglo XIX, Laval de Suecia y Parsons de Inglaterra crearon, respectivamente, prácticas turbinas de vapor. Laval construyó la primera turbina de vapor de impulso de una sola etapa de 5 hp (3,67 kW) en 1882 y resolvió los problemas asociados de diseño de boquilla y diseño de resistencia. Las turbinas de impulsos de una etapa tienen muy poca potencia y rara vez se utilizan en la actualidad. A principios del siglo XX, la francesa Latour y la suiza Zoray fabricaron respectivamente turbinas de impulsos multietapa. La estructura de múltiples etapas ha abierto el camino para aumentar la potencia de las turbinas hidráulicas y ha sido ampliamente utilizada, y la potencia de la unidad continúa aumentando. Parsons recibió una patente británica en 1884 para la primera turbina de reacción multietapa de 10 caballos de fuerza, que lideraba el camino en potencia y eficiencia en ese momento. A principios del siglo XX, Curtis en los Estados Unidos fabricó una turbina hidráulica de varias velocidades. Cada etapa de velocidad generalmente tiene dos filas de palas móviles. Después de que la primera fila de palas móviles esté equipada con palas guía en el cilindro. guiar la segunda fila de aspas móviles. Hoy en día, las turbinas de etapa de velocidad sólo se utilizan en turbinas pequeñas, principalmente para accionar bombas de agua, sopladores, etc. También se utiliza comúnmente como primera etapa de turbinas de vapor de múltiples etapas de tamaño pequeño y mediano. En comparación con las máquinas de vapor alternativas, el flujo de vapor en la turbina de vapor es continuo y de alta velocidad, y el caudal que puede pasar a través de la unidad de área es grande, por lo que puede emitir mayor potencia. Las turbinas de vapor de mayor potencia pueden utilizar presiones y temperaturas de vapor más altas y, por lo tanto, tienen una mayor eficiencia térmica. Desde el siglo XIX, el desarrollo de las turbinas de vapor ha tenido como objetivo aumentar la potencia unitaria y mejorar la economía térmica del equipo sobre la base de mejorar continuamente la seguridad, confiabilidad, durabilidad y facilidad de operación. La aparición de las turbinas de vapor contribuyó al desarrollo de la industria eléctrica. A principios del siglo XX, la potencia única de las turbinas de vapor en las centrales eléctricas alcanzaba los 10 megavatios. Con la gama cada vez más amplia de aplicaciones energéticas, la carga máxima de las centrales eléctricas en grandes ciudades como Nueva York en los Estados Unidos era cercana a los 1.000 megavatios en la década de 1920. Si la potencia de una sola máquina era de sólo 10 megavatios, casi cien. Por lo tanto, en la década de 1920, la potencia de una sola máquina ya había alcanzado los 1.000 megavatios. Esto aumentó a 60 MW, y a principios de la década de 1930 aparecieron turbinas de vapor de 165 MW y 208 MW. Desde entonces, la recesión económica y el estallido de la Segunda Guerra Mundial han paralizado el aumento de la potencia unitaria de las turbinas de vapor. En la década de 1950, con el desarrollo de la economía de posguerra, la demanda de electricidad aumentó y la potencia unitaria comenzó a aumentar nuevamente. En la década de 1960 aparecieron una tras otra grandes turbinas de vapor de 325 a 600 MW; En la década de 1970 se fabricó otra turbina de vapor de 1.300 MW. Actualmente, la potencia unitaria que se utiliza habitualmente en muchos países es de 300 a 600 megavatios. Las turbinas de vapor se utilizan ampliamente en diversos campos de la sociedad y la economía. Existen muchos tipos de turbinas de vapor, con diferentes métodos de clasificación. Según la estructura, hay turbinas de vapor de una sola etapa y turbinas de vapor de múltiples etapas; turbinas de vapor de un solo cilindro con cada etapa instalada en un cilindro y turbinas de vapor de varios cilindros con cada etapa instalada en varios cilindros; con cada etapa instalada en un eje y turbinas de vapor de dos ejes en todas las etapas montadas en dos ejes paralelos. Según el principio de funcionamiento, se puede dividir en turbinas de impulsos en las que el vapor se expande principalmente en toberas (o álabes del estator) en todos los niveles; turbinas de vapor de reacción en las que el vapor se expande tanto en álabes del estator como en álabes móviles y turbinas de vapor donde es cinético; La energía después de la expansión en las boquillas es una turbina de vapor de etapa de velocidad que utiliza varias filas de palas móviles. Según las características térmicas, las turbinas de vapor se pueden dividir en turbinas de condensación, calefacción, contrapresión, extracción y vapor saturado. El vapor descargado de la turbina de vapor de condensación fluye hacia el condensador. La presión del vapor de escape es menor que la presión atmosférica y tiene un buen rendimiento térmico. Es el tipo de turbina de vapor más comúnmente utilizado. La turbina de vapor de calefacción no solo puede proporcionar energía. acciona generadores u otra maquinaria, pero también proporciona producción o se utiliza para calor doméstico y tiene una alta tasa de utilización de energía térmica. la turbina de vapor de contrapresión es una turbina de vapor con una presión de vapor de escape mayor que la presión atmosférica; La turbina es una turbina de vapor que extrae vapor de la etapa intermedia para suministrar calor. Una turbina de vapor saturado es una turbina de vapor que utiliza vapor saturado como vapor fresco. El vapor de la turbina de vapor se expande desde la entrada hasta la salida, y el volumen del vapor por unidad de masa aumenta cientos o incluso miles de veces, por lo que la altura de las palas en todos los niveles debe alargarse gradualmente.

Las turbinas de vapor de condensación de alta potencia requieren una gran superficie de escape, por lo que la última etapa de las palas debe ser muy larga. La economía térmica de una unidad de turbina de vapor se expresa mediante la tasa de consumo de calor de la turbina o la eficiencia térmica. La tasa de consumo de calor de una turbina de vapor se refiere al calor del vapor consumido por unidad de trabajo mecánico producido, mientras que la eficiencia térmica se refiere a la relación entre el trabajo mecánico producido y el calor del vapor consumido. Para toda la planta de energía, también es necesario considerar la eficiencia de la caldera y el consumo de energía en el sitio. Por lo tanto, la tasa de consumo de calor de una central eléctrica es mayor que la de una sola turbina de vapor, y la eficiencia térmica de una central eléctrica es menor que la de una sola turbina de vapor. Una central eléctrica con una potencia total de 1.000 MW de turbina consume aproximadamente 2,3 millones de toneladas de carbón estándar al año. Si el valor absoluto de la eficiencia térmica aumenta un 1%, se pueden ahorrar 60.000 toneladas de carbón estándar cada año. Por lo tanto, siempre se ha prestado atención a la eficiencia térmica de las turbinas de vapor. Con el fin de mejorar la eficiencia térmica de la turbina de vapor, además de mejorar continuamente la eficiencia de la propia turbina de vapor, se incluye mejorar el diseño de álabes en todos los niveles (para reducir las pérdidas de flujo), reducir las pérdidas en válvulas y tuberías de entrada y salida. , las medidas también se pueden tomar desde una perspectiva termodinámica. Según el principio de la termodinámica, cuanto mayores sean los parámetros del vapor fresco, mayor será la eficiencia térmica del ciclo térmico. Las primeras turbinas de vapor utilizaban vapor vivo a bajas presiones y temperaturas, con eficiencias térmicas inferiores al 20%. Con el aumento de la potencia unitaria, la presión del vapor fresco aumentó a 3~4 MPa y la temperatura es de 400~450°C a principios de la década de 1930. Con la mejora continua de los materiales de alta temperatura, la temperatura del vapor ha aumentado gradualmente a 535 °C y la presión también ha aumentado a 6-12,5 MPa. Algunas personas han alcanzado los 16 MPa y la eficiencia térmica supera el 30 %. A principios de la década de 1950 apareció un nuevo tipo de turbina de vapor con una temperatura de vapor de 600°C. Posteriormente apareció un nuevo tipo de turbina de vapor con una temperatura de vapor de 650°C. Las grandes turbinas de vapor modernas suelen utilizar parámetros supercríticos, con una presión de vapor vivo de 24 MPa, una temperatura de vapor vivo y una temperatura de recalentamiento de 535-565 grados Celsius, o parámetros subcríticos, con una presión de vapor vivo de 16,5 MPa, una temperatura de vapor vivo y una temperatura de recalentamiento de 535 -565 grados centígrados La temperatura es de 535 grados centígrados. La eficiencia térmica de las centrales eléctricas que utilizan estas turbinas supera el 30%. La eficiencia térmica de las centrales eléctricas que utilizan estas turbinas es de aproximadamente el 40%. Además, cuanto menor sea la presión de escape de la turbina de vapor, mayor será la eficiencia térmica del ciclo de vapor. Sin embargo, la presión de escape depende principalmente de la temperatura del agua de refrigeración. Si la presión de escape es demasiado baja, es necesario aumentar el caudal de agua de refrigeración o ampliar el área de refrigeración del condensador, y las aspas finales también se alargarán. . La presión de vapor de escape comúnmente utilizada de la turbina de vapor de condensación es de 0,005~0,008 MPa. Para reducir el peso y el volumen de las unidades de turbinas de vapor marinas, la presión de vapor de escape comúnmente utilizada es de 0,006~0,01 MPa. Además, las medidas para mejorar la eficiencia térmica de las turbinas incluyen el uso de ciclos de recuperación de calor, el uso de ciclos de recalentamiento y el uso de turbinas de calefacción. Mejorar la eficiencia térmica de las turbinas de vapor es de gran importancia para la conservación de energía. El desarrollo de grandes unidades de turbinas de vapor es una dirección importante para el desarrollo futuro de las turbinas de vapor. El desarrollo de álabes finales más largos es la clave para un mayor desarrollo de las grandes turbinas de vapor. La investigación para mejorar la eficiencia térmica es otra dirección del desarrollo de las turbinas de vapor. Los parámetros de vapor más altos y la regeneración secundaria de calor, el desarrollo de unidades de reducción de picos y la promoción y aplicación de turbinas de vapor de calefacción son tendencias importantes en esta área. El número de turbinas de vapor en las centrales nucleares modernas está aumentando rápidamente, por lo que es particularmente importante estudiar turbinas de vapor con buen rendimiento que sean adecuadas para diferentes tipos de reactores. En 1983, la capacidad instalada de turbinas de vapor que utilizan energía geotérmica en el mundo era de 3190 MW, pero aún no se ha desarrollado el uso de recursos geotérmicos más profundos y de mayor temperatura, como la lava, ya se están construyendo centrales eléctricas de turbinas de vapor que utilizan energía solar; También se está investigando la generación de energía termoeléctrica en el océano. Todas estas nuevas turbinas energéticas aún deben ser probadas e investigadas. Además, en el proceso de diseño, fabricación y operación de turbinas hidráulicas, el uso de nuevas teorías y tecnologías para mejorar el rendimiento de las turbinas hidráulicas también es una parte importante de la futura investigación sobre turbinas hidráulicas. Por ejemplo, teoría del flujo tridimensional y teoría del flujo bifásico de vapor húmedo en dinámica de gases; método de elementos finitos y análisis de mecánica de fracturas en resistencia; transformada rápida de Fourier, análisis modal y tecnología láser en diseño de vibración, proceso de fabricación, tecnología informática electrónica; en medición de pruebas y monitoreo de operación; detección ultrasónica y cálculo de pérdidas en monitoreo de vida, etc. Además, se desarrollarán aplicaciones para nuevas sustancias industriales (como el freón), así como nuevas estructuras, nuevos procesos y nuevos materiales.

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