משתמש:Nirvanabishara/steam turbine

מערכות יצור אנרגיה

נושא: 17: טורבינת קיטור

היסטוריה:

במאה הראשונה: המכשיר הראשון שסווג כטורבינת קיטור תגובתית " reaction steam turbine" הייתה קטנה " כדור איאולוס", Aeolipile  הקלאסי, שתואר על ידי  הרון מאלכסנדריה במצרים. [11]

בשנת 1551: תיאר טאקי אלדין במצרים העות'מאנית טורבינת קיטור עם יישום מעשי של סיבובים, טורבינת קיטור דחף " impulse steam turbine".. בשנת 1629: טורבינות קיטור תוארה על ידי ג'ובאני ברנקה האיטלקי. בשנת 1648: וג'ון וילקינס באנגליה. בשנת 1672: תוכנה מכונית מונעת טורבינת קיטור דחף " impulse steam turbine" על ידי פרדיננד ורביסט.. בסוף המאה ה -18: גרסה מודרנית יותר למכונית קיטור הופקה על ידי מכונאי גרמני. בשנת 1775: בסוהו ג'יימס וואט תכנן טורבינת תגובה שהופעלה. בשנת 1827: הצרפתים ריאל ופיצ'ון רשמו פטנט והקימו טורבינת דחף מורכבת.

טורבינת הקיטור המודרנית הומצאה בשנת 1884 על ידי צ'רלס פרסונס, אשר הדגם הראשון שלה היה מחובר לדינמו שהפיק 7.5 קילוואט (10.1 כ"ס) חשמל. טורבינת פרסונס אומצה בכל תחנות הכוח הגדולות בעולם, וגודל הגנרטורים גדל מ- 7.5 קילוואט (10.1 כ"ס) ליחידות של 50,000 קילוואט (67,000 כ"ס). [12]

פותח וריאציות אחרות של טורבינות הפועלות ביעילות עם קיטור. טורבינת דה לבאל " de Laval turbine"  (שהומצאה על ידי גוסטף דה לבאל) האיצה את הקיטור במלוא המהירות לפני שהפעילה אותו על להב טורבינה. טורבינת דחף פשוטה וזולה ולא דורשת עמידות ללחץ. טורבינה שפועלת בכל לחץ  קיטור, אך פחות יעילה. [1]

בשנות ה -20: הטורבינה בראון-קרטיס, סוג של טורבינת דחף, אשר פותחה במקור ופטנטה על ידי החברה האמריקאית הבינלאומית Curtis Marine Turbine Company, פותחה יחד עם ג'ון בראון אנד קומפני. ששמשה בספינות סוחר וספינות מלחמה עם מנועי ג'ון בראון.

טורבינות קיטור:

טורבינות קיטור הן המובילות הוותיקות ביותר המשמשות לייצור חשמל. בארצות הברית, מרבית החשמל המופק מתחנות כוח משתמש בטורבינות קיטור. עם זאת, טורבינות קיטור משמשות גם במערכות CHP, תחנות כוח משולבות ומערכות חימום אזוריות. הקיבולת של טורבינות קיטור נעה בין 50 קילוואט לכמה מאות מגה וואט. ישנם מספר סוגים של טורבינות קיטור המשמשות לייצור חשמל: [9]

הטורבינה היא מכשיר בו מתפתח כוח כתוצאה מגז או נוזל העוברים דרך קבוצת להבים המחוברים לציר החופשי לסיבוב. בטורבינות כאלה נעשה שימוש נרחב לחשמל, ייצור בתחנות כוח קיטור, תחנות כוח טורבינות גז ומנועי מטוסים, קיטור מחומם-על (שחון) או גז נכנס לטורבינה ומתרחבת ללחץ נמוך יותר ככל שנוצר הספק. הטורבינה מחוברת לגנרטור ומספקת כוח סיבובי לגנרטור. הגנרטור ממיר כוח סיבובי לחשמל. [2]

ויסות מהירות: Speed regulation

השליטה בטורבינה עם בקרה, מכיוון שצריך להריץ טורבינות לאט בכדי למנוע נזק וכמה יישומים (כמו ייצור חשמל זרם חילופין) דורשים בקרת מהירות מדויקת. האצה בלתי מבוקרת של רוטור הטורבינה יכולה להוביל למהירות יתר, הגורם לסגירת המושל ושסתומי המצערת השולטים בזרימת הקיטור לטורבינה. אם שסתומים אלה נכשלים, הטורבינה עשויה להמשיך להאיץ עד שהיא מתפרקת, לעתים קרובות קטסטרופלית. טורבינות יקרות לייצור, ודורשות ייצור מדויק וחומרים באיכות מיוחדת. [10]

טבלת עלות וביצועים עבור מערכות קוגנרציה נבחרות המשתמשות בטורבינות קיטור :

Cost and Performance Parameters	System capacity in kW
	500	3000	15,000
Total installed cost ($/kW)	$918	$385	$349
Fuel input (MMBtu/h)	26.7	147.4	549.0
Electric efficiency (%)	6.4	6.9%	9.3%
Steam to process (MMBtu/h)	19.6	107.0	386.6
Overall efficiency (%)	79.6	79.5	79.7

Source: Energy Nexus Group,2002a. Technology Characterization: Steam Turbines, A report prepared for EPA, Climate Protection Partnership Division, Washington, D.C

מעגל הקיטור: [5]

תחנת כוח פועלת באמצעות מעגל כוח קיטור סגור, כאשר המים עוברים תהליכים תרמו דינמיים שונים בתהליך מחזורי. תהליך היצור מחולק לשני חלקים: חלק ראשון מורכב מהדוד (או מקור החום), וחלק השני מורכב מטורבינה, גנרטור, מעבה, משאבת הזנה ומחממי מים

תיאור התהליך: מי הזנה מסופקים לתוף הדוד, שם מרתיחים מים והופכים לאדים רוויים יבשים. הקיטור היבש מחומם עוד במחמם העל ואז מוזרם למיכל לחץ גבוה של הטורבינה . הקיטור מתרחב בטורבינה ומפסיד אנרגיית חום, שחלק ממנה מועבר לאנרגיית העבודה על ציר הטורבינה. הציר מסובב גנרטור חשמלי שמייצר חשמל. האדים שיוצאים ממיכל הלחץ הגבוה חוזרים לדוד, ומחומם מחדש. הקיטור המחומם מועבר למכלי לחץ בינוני ולחץ נמוך, ואחר מכן מועבר למעבה, האדים מתעבים  על ידי העברת חום האידוי הסמוי למי הקירור, כעת הקיטור נמצא במצב נוזלי בלחץ נמוך מאוד ובטמפרטורת רוויה כמעט. מים אלה מתנקזים מהמעבה, שם הם נכנסים למקום החם. את המים בחדר החימום נשאבים על ידי משאבת מיצוי הקונדנסט דרך מערכת חימום ההזנה בלחץ נמוך למשאבה אחרת, משאבת הזנת הדוד. [5]

במחזור קיטור מודרני, חלק מהאדים שעוברים דרך גלילי הטורבינה מוזרמים מסדרה של חגורות שאיבה הנמצאות לאחר שלבי להב נעים נבחרים ומועברים לתאי החימום והמכל. קיטור זה משמש לחימום הקונדנסט, משאבת הזנת הדוד מגדילה את לחץ המים לרמה העולה על לחץ התוף, כדי לספק את ירידת הלחץ במעגל הדוד ורכבת חימום ההזנה של HP. המחזור הושלם כעת. [5]

סוגי טורבינות: [5]

טורבינות קיטור מיוצרות במגוון גדלים החל מיחידות קטנות <0.75 קילוואט (<1 כ"ס) (נדירות) המשמשות בהינע מכני למשאבות, מדחסים וציוד אחר מונע, לטורבינות של 1,500 מגה-וואט (2,000,000 כ"ס) המשמשות לייצור חשמל. ישנם מספר סיווגים לטורבינות קיטור מודרניות.

1-     תנאי אספקת קיטור ופליטה: Steam supply and exhaust conditions

סוגי טורבינות: עיבוי, אי עיבוי, חימום מחדש, מיצוי ואינדוקציה.

1.1- טורבינות עיבוי: Condensing turbines

טורבינות עיבוי נמצאות לרוב בתחנות כוח חשמליות. הקיטור נכנס לטורבינה מהדוד, ויוצאה מטורבינה למעבה. הקיטור היוצא נמצא בלחץ מתחת לאטמוספירה, ובמצב מעובה חלקית.

Condensing Steam Turbine | Characteristics | nuclear-power.net

1.2 - טורבינות לחץ חוזר: Back pressure turbines

טורבינות ללא עיבוי, משמשות לרוב ליישום קיטור בתהליך, הקיטור ינוצל למטרות נוספות לאחר יצאה מטורבינה. לחץ הפליטה נשלט על ידי שסתום ויסות שיתאים לצרכי לחץ הקיטור בתהליך. טורבינות אלה נמצאות בדרך כלל בבתי זיקוק, יחידות חימום מחוזיות, מפעלי תאית ונייר, ומתקני התפלה בהם יש צורך בכמויות גדולות של קיטור בתהליך לחץ נמוך.

(a) Elements of back-pressure steam turbine cycle, (b) extraction... | Download Scientific Diagram (researchgate.net)

2- טורבינות חימום מחדש: Reheat turbines

טורבינות חימום מחדש משמשות רק בתחנות כוח חשמליות.

זרימת קיטור יוצאת מחלק בלחץ גבוה של הטורבינה ומוחזרת לדוד לחימום נוסף. הקיטור חוזר ואז לחלק לחץ ביניים של הטורבינה.

שימוש בחימום חוזר במחזור מגדיל את תפוקת העבודה מהטורבינה וגם טורבינה מגיעה לסיום ניצול לפני שהקיטור מתעבה, ובכך ממזער את שחיקת הלהבים בשורות האחרונות. ברוב המקרים, המספר המרבי של חימום חוזר המועסק במחזור הוא שני מחזורים,

עלות שיחון האדים מורידה את העלייה בתפוקת העבודה.

Reheat Steam Turbine | Characteristics | nuclear-power.net

3- טורבינות פליטה: Extracting turbines

טורבינת חילוץ נפוצה בכל היישומים. האדים משתחררים משלבים שונים של הטורבינה, ומשמשים לצרכי תהליכים תעשייתיים או נשלחים למחממי מי הזנה של הדוד כדי לשפר את יעילות המחזור הכוללת. ניתן לשלוט על זרימת החילוץ באמצעות שסתום. קיטור שחולץ גורם לאובדן כוח בשלבים במורד הזרם של הטורבינה. [5]

Extraction Condensing Turbine - an overview | ScienceDirect Topics

4-     שני רוטורים: Two-flow rotors

הקיטור מעניק דחף משיקי על ציר הטורבינה, אך הדחף הצירי בטורבינה פשוטה אינו מנוגד. כדי לשמור על מיקום הרוטור והאיזון הנכון, צריך לנטרל כוח זה באמצעות כוח מנוגד. ניתן להשתמש במסבי דחף עבור מיסבי המוט, הרוטור יכול להשתמש בבוכנות דמה, זה יכול להיות זרימה כפולה - הקיטור נכנס באמצע המוט ויוצא משני קצותיו, או שילוב של כל אלה. ברוטור זרימה כפול, הלהבים בכל מחצית פונים לדרכים הפוכות, כך שכוחות הציר שוללים זה את זה אך הכוחות המשיקים פועלים יחד. תכנון זה של הרוטור נקרא גם זרימה דו-זרימית, זרימה כפולה או פליטה כפולה. סידור זה נפוץ במעטפות בלחץ נמוך של טורבינה מורכבת.

5- טורבינות דחף: Impulse turbines

בטורבינת דחף יש חרירים קבועים המכוונים את זרימת הקיטור לסילוני מהירות גבוהה. סילונים אלה מכילים אנרגיה קינטית משמעותית, אשר מומרת לסיבוב ציר על ידי להבי הרוטור בצורת דלי, כאשר סילון הקיטור משנה כיוון. ירידת לחץ מתרחשת רק על הלהבים הנייחים, עם עלייה נטו במהירות הקיטור על פני הבמה. ככל שהאדים זורמים דרך הזרבובית, הלחץ שלה נופל מלחץ הכניסה ללחץ היציאה (לחץ אטמוספרי או, בדרך כלל, ואקום המעבה). בגלל יחס גבוה זה של התפשטות קיטור, הקיטור עוזב את הזרבובית במהירות גבוהה מאוד. לאדים היוצאים מהלהבים הנעים יש חלק גדול מהמהירות המרבית של האדים בעת עזיבת הנחיר. אובדן האנרגיה בגלל מהירות יציאה גבוהה יותר זו נקרא בדרך כלל מהירות העברה או אובדן עזיבה.

6- טורבינות תגובה: Reaction turbines

בטורבינת התגובה, להבי הרוטור מסודרים ליצירת חרירים מתכנסים. טורבינה מסוג זה עושה שימוש בכוח התגובה המיוצר כאשר האדים מואצים דרך החרירים שנוצרו על ידי הרוטור. קיטור מופנה אל הרוטור באמצעות שבילי הקיבוע של הסטטור. הוא משאיר את הסטטור כמטוס הממלא את כל היקף הרוטור. לאחר מכן הקיטור משנה כיוון ומגביר את מהירותו יחסית למהירות הלהבים. ירידת לחץ מתרחשת הן על גבי הסטטור והן על הרוטור, כאשר קיטור מואץ דרך הסטטור ומואט דרך הרוטור, ללא שינוי מהיר בקיטור לאורך הבמה, אך עם ירידה בלחץ ובטמפרטורה, המשקף את העבודה שבוצעה נהיגה של הרוטור.

אמינות ותחזוקה:

חיי ציוד טורבינת הקיטור ארוכים במיוחד. יש טורבינות שמשמשות כבר למעלה מ- 50 שנה. כאשר הם מופעלים ומתוחזקים כראוי - כולל בקרת הכימיה של מי הדוד והקפדה על אדים יבשים, טורבינות קיטור אמינות ביותר עם מרווחי שיפוץ שנמדדו שנים. טורבינות גדולות דורשות מעברים תרמיים מבוקרים מכיוון שמעטפה מתחממת לאט והרחבה הדיפרנציאלית של החלקים נהיית ממוזערת. לטורבינות קטנות בדרך כלל אין מגבלות הפעלה. [7]

מקורות ספרות:

1-     Giampaolo, Tony (2014). Gas Turbine Handbook Principles and Practices By Tony Giampaolo: Gas Turbine Handbook.

2-     Moran, Michael J; Shapiro, Howard N; Boettner, Daisie D; Bailey, Margaret B (2010). Fundamentals of Engineering Thermodynamics. John Wiley & Sons.

3-      Steam Turbines: A Book of Instruction for the Adjustment and Operation of the Principal Types of this Class of Prime Movers by Hubert E Collins

4-     Flow Phenomenon in Steam Turbine Disk-Stator Cavities Channeled by Balance Holes

5-     Modern Energetics - The Steam Turbine, The steam turbine | Modern Energetics (mda139.net)

6-     Flow and Heat Transfer in Geothermal Systems, Chapter 11 - Geothermal Power Generation

7-     Turbines, Steam, Enrico Sciubba, in Encyclopedia of Energy, 2004

8-     Anatomy of a Coal-Fired Power Plant, Bruce G. Miller, in Clean Coal Engineering Technology, 201

9-     Steam turbine model, Ali Chaibakhsh, Ali Ghaffari , https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1569190X08001196

10-  Simulation modelling practice and theory, volume 16, issue 9, October 2008

11-  The Steam Turbine at the Wayback Machine (archived 13 May 2010)