טורבינת הקיטור היא מכשיר כוח ליבה הממיר את האנרגיה התרמית של הקיטור לעבודה מכנית. מרכיביו מתוכננים סביב ארבעה עקרונות עיקריים: 'המרת אנרגיית קיטור - העברת אנרגיה מכנית - בקרה תפעולית - הבטחת בטיחות'. כל חלק פועל יחד כדי להשיג תפוקת אנרגיה יעילה ויציבה. הרכיבים הספציפיים ותפקידיהם הם כדלקמן:
1. סעיף המרת אנרגיית ליבה: מערכת זרימת קיטור
זוהי הליבה של הטרנספורמציה של טורבינה מ"אנרגיה תרמית → אנרגיה קינטית → אנרגיה מכנית" וקובעת ישירות את יעילות היחידה. הוא כולל בעיקר שלושה מרכיבי מפתח: חרירים, להבי רוטור ודיאפרגמות:
- חרירי (להבי סטטור): "ממיר האנרגיה הראשון" לקיטור הנכנס לטורבינה. כאשר אדים בלחץ גבוה- עוברים דרך הזרבובית, התעלה מצטמצמת, מה שגורם ללחץ הקיטור לרדת ולמהירות עלייה חדה (המרת האנרגיה התרמית של הקיטור לאנרגיה קינטית), ויוצרים זרימת קיטור במהירות גבוהה שמתכוננת לעבודה הבאה שנעשתה על ידי להבי הרוטור.
-להבי רוטור: "מרכיבי הביצוע" של המרת אנרגיה. כאשר זרימת הקיטור המהירה- פוגעת בלהבי הרוטור, היא יוצרת דחף רוחבי, ומניעה את להבי הרוטור ואת הציר המחובר להסתובב (המרת האנרגיה הקינטית של זרימת הקיטור לאנרגיה המכנית של הרוטור). הם המקור הישיר להספק הטורבינה. הצורה של להבי הרוטור (למשל, סוג מעוות) חייבת להתאים במדויק לכיוון זרימת הקיטור כדי למזער אובדן אנרגיה.
- דיאפרגמות: "מבנה התמיכה והמיקום" עבור חרירי. דיאפרגמות מקובעות לקיר הצילינדר עם חור מרכזי עבור הרוטור לעבור דרכו. תפקידם העיקרי הוא לחלק את הטורבינה למספר שלבי לחץ (כל שלב מורכב מסט חרירים ומערכת להבי רוטור), לאפשר לקיטור להתרחב ולעשות עבודה בהדרגה באמצעות מערכי "נחיריים-להב רוטור", השגת ניצול אנרגיה צעד צעד ושיפור היעילות הכוללת.
2. חלק העברת אנרגיה מכנית: מערכת מסתובבת
אחראי על העברת האנרגיה המכנית הסיבובית שנוצרת על ידי הלהבים הנעים אל הגנרטור (או עומסים אחרים), תוך הבטחת יציבות במהלך-סיבוב מהיר. מרכיב הליבה הוא הרוטור, עם רכיבים תומכים הכוללים את הציר הראשי, הזיווגים והאימפלרים (או התופים):
- רוטור: "הליבה המסתובבת" של טורבינת הקיטור. לפי סוג היחידה, היא מסווגת ל"רוטור דחף" ו"רוטור תגובה":
- רוטור אימפולס: מורכב מהציר הראשי, האימפלר והלהבים הנעים. הלהבים הנעים קבועים על האימפלר, והאימפלר מותקן על הציר הראשי. הוא מתאים ליחידות-בלחץ גבוה,-קטנות בקיבולת;
- רוטור תגובה: אין לו אימפלר, והלהבים הנעים מקובעים ישירות על הציר הראשי (או התוף). לרוטור קשיחות כללית גבוהה יותר והוא מתאים ליחידות קיבולת- בלחץ בינוני- עד נמוך- (כגון טורבינות קיטור תרמיות של 300MW ומעלה).
- ציר ראשי וצימודים: הציר הראשי הוא ה"שלד" של הרוטור, התומך באימפלר/להבים הנעים; צימודים מחברים את רוטור הטורבינה לרוטור הגנרטור (או עומסים אחרים) ומשדרים מומנט סיבובי. יש להבטיח קואקסיאליות גבוהה כדי למנוע רטט במהלך הפעולה.
3. רכיבי תמיכה ואיטום קבועים: מערכת סטטור
מספק תמיכה קבועה למערכת המסתובבת, מכיל קיטור ומונע דליפת קיטור (שמשפיעה על היעילות) וחדירת אוויר (המשבשת את הוואקום). זה כולל בעיקר את הצילינדר, אטמי קיטור ומסבים:
- צילינדר: ה"קונכייה" של הטורבינה. עשוי מפלדה יצוקה או פלדה מסגסוגת, מחולק לצילינדר בלחץ גבוה-, גליל בלחץ בינוני- וגליל בלחץ- נמוך (עבור יחידות מרובות- צילינדרים). בפנים הוא מכיל רכיבים כגון דיאפרגמות, חרירים ורוטורים, היוצרים מעבר קיטור סגור. הגליל חייב להיות בעל חוזק מספיק כדי לעמוד בלחץ ובטמפרטורה גבוהים של קיטור וחייב להיות אטום עם אוגנים וברגים כדי למנוע דליפת קיטור.
- אטמי קיטור: "רכיבי מפתח נגד-דליפות." מתחלק לשלושה סוגים:
- אטם פיר: מותקן במקום שבו הרוטור עובר דרך הצילינדר, ומונע דליפת אדים בלחץ- גבוה בתוך הגליל לאורך קצה הפיר (הפחתת איבוד אנרגיה) או כניסת אוויר מצד המעבה (פוגע בוואקום).
- איטום קיטור דיאפרגמה: מותקן ברווח שבין החור המרכזי של הסרעפת והרוטור, ומונע זרימת קיטור בין שלבי לחץ סמוכים (הימנעות מאובדן אנרגיה בין שלבי).
- אטם אדים של קצה הלהב: מותקן במרווח בין החלק העליון של הלהבים הנעים לדופן הפנימית של הגליל, מפחית את דליפת הקיטור מעל ראשי הלהב ומשפר את יעילות הבמה.
- מיסבים: "רכיבי התמיכה והחיכוך-של הרוטור." מחולק למיסבים רדיאליים ומיסבי דחף:
- מיסבים רדיאליים: תמכו במשקל הרוטור, מבטיחים סיבוב רדיאלי יציב של הרוטור ומונעים חיכוך עם רכיבי הסטטור.
- מיסבי דחף: נושאים את הדחף הצירי על הרוטור שנגרם על ידי קיטור (עקב הפרש לחצים), מניעת תנועה צירית של הרוטור ושמירה על מרווחים יציבים בין הלהבים הנעים לנייחים.
4. מדור בקרת תפעול: מערכות ויסות והגנה
התאם את תפוקת הטורבינה בהתאם לדרישות עומס חיצוני (כגון שינויים בצריכת החשמל ברשת החשמל) תוך הגנה על היחידה בתנאים חריגים. מרכיבי הליבה כוללים את מערכת הוויסות ומערכת ההגנה:
- מערכת תקנות: "מרכז בקרת הטעינה". הוא מורכב מנגיד, מפעיל הידראולי, שסתום בקרה ומנגנון הילוכים:
1. המושל (כגון צנטריפוגלי או אלקטרו-הידראולי) עוקב אחר מהירות הרוטור בזמן אמת-. כאשר שינויי עומס גורמים למהירות לסטות מהערך המדורג (לדוגמה, ירידה בשימוש בחשמל ברשת → המהירות עולה), הוא מוציא אות;
2. האות מועבר למפעיל ההידראולי, המניע את שסתום הבקרה (מותקן בכניסת קיטור הטורבינה);
3. שסתום הבקרה מכוון את זרימת הקיטור (למשל, אם המהירות עולה, השסתום נסגר מעט כדי להפחית את הקיטור), משחזר את יציבות מהירות הרוטור תוך התאמת תפוקת היחידה להתאמה לעומס.
- מערכת הגנה: "קו הבטיחות". כאשר היחידה חווה תנאים המאיימים על הבטיחות (כגון מהירות יתר, לחץ שמן סיכה נמוך, תזוזה צירית מופרזת או אובדן ואקום), פעולות הגנה מופעלות אוטומטית, כגון סגירת שסתום הקיטור הראשי כדי לנתק קיטור, או פתיחת שסתום היציאה לשעת חירום כדי לשחרר שמן, מה שמכריח את הטורבינה להיסגר ולמנוע נזק לציוד.
5. שיפור יעילות עזר: מערכות עיבוי ושימון
למרות שהן אינן משתתפות ישירות בהמרת אנרגיה, מערכות אלו קובעות את היעילות התפעולית ואת אורך חיי הציוד של היחידה, ומשמשות כ"מערכת הערבות" לפעולת טורבינה יציבה:
- מערכת עיבוי (משמשת בעיקר לעיבוי טורבינות): "המפתח לשיפור היעילות". זה מורכב מהקבל, משאבת ואקום ומשאבת עיבוי:
- מעבה: מעבה את קיטור הפליטה של הטורבינה (קיטור בלחץ-נמוך) למים, יוצר ואקום גבוה (לחץ הפליטה יורד ל-0.005-0.01 MPa), מוריד משמעותית את טמפרטורת הפליטה והלחץ של הקיטור, מגדיל את ירידת האנתלפיה של הקיטור ו"הפרש בטורבינת הקיטור", יעילות;
- משאבת ואקום: שומרת על ואקום המעבה על ידי הסרת אוויר שדולף פנימה במהלך העיבוי;
- משאבת עיבוי: שואבת את המים המעובה (המעובה) בחזרה לדוד לצורך חימום מחדש לקיטור, מה שמאפשר את מיחזור נוזל העבודה (קיטור מים-) והפחתת צריכת משאבי המים.
- מערכת סיכה: "האחריות לתוחלת חיי הציוד". הוא מורכב ממיכל השמן, משאבת שמן סיכה, מצנן שמן ומסנן שמן:
- משאבת שמן סיכה: מפעילה לחץ על שמן הסיכה מהמיכל ומספקת אותו לרכיבים מסתובבים כגון מיסבים רדיאליים ודחף, ויוצרת סרט שמן כדי להפחית את החיכוך והבלאי;
- מצנן שמן: מקרר את שמן הסיכה במים (מונע נזק לסרט השמן שנגרם מטמפרטורת שמן מוגזמת);
- מסנן שמן: מסנן זיהומים מהשמן כדי להבטיח את ניקיון שמן הסיכה.
סיכום: ההיגיון המתואם של כל רכיב
קיטור בלחץ גבוה- נכנס לראשונה למערכת זרימת הקיטור, שם הוא מואץ על ידי חרירים כדי להניע את סיבוב הלהבים הנעים; הלהבים הנעים מניעים את מערכת הסיבוב (רוטור), ומעבירים אנרגיה מכנית לגנרטור באמצעות צימוד; מערכת הסטטור (צילינדר, אטם קיטור) מבטיחה שהקיטור לא ידלוף והרוטור מסתובב ביציבות; מערכת הבקרה מתאימה את כניסת הקיטור בהתאם לעומס, בעוד שמערכת ההגנה מגיבה לתנאים חריגים; מערכת העיבוי משפרת את היעילות, ומערכת הסיכה מגנה על הציוד-כל חלק עובד בצמוד, בסופו של דבר משיג המרה יעילה של "אנרגיה תרמית קיטור → אנרגיה חשמלית (או אנרגיה מכנית)."
