Parne turbine

Parna turbina pripada grupi toplotnih motora, poput motora sa unutrašnjim sagorijevanjem (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 dio ove grupe predstavlja grupa toplotnih turbomašina koju čine parne i gasne turbine i turbokompresori. U turbomašinama se rad direktno dobija preko obrtnog kretanja radnih dijelova kada su u pitanju turbine, ili se ipak 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. riječ "kompresor" predstavlja namjenu uredjaja, dok riječ "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 mjesto u proizvodnji električne energije.

Termodinamčke osnove 

Dobijanje rada u toplotnim motorima se odvija pomoću radnog tijela - fluida (gasa, pare odnosno tečnosti ili mješavine), čjim se promjenama stanja u toku procesa od dovedene toplote finalno dobija mehanički rad.

To znači, da bi smo 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 tijelo 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 dio toplote koja nam predstavlja čist, ali i neizbježan gubitak.

Uprošćeno gledano, svaki termodinamički ciklus toplotnog motora se sastoji iz sabijanja radnog tijela, dovođenja toplote, širenja radnog tijela (pri čemu se dobija rad) i odvođenja jednog dijela toplote. Naravno, za sabijanje radnog tijela 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.

Elementi postrojenja 

U parnoj turbini proces započinje uvođenjem vode u pumpu, koja je sabija i diže njen pritisak na željeniu vrijednost. Zatim se dovodi toplota tako da voda u cijevima postrojenja počinje da ključa, i najzad potpuno isparava, čime se dobija suvozasićena para. Ako se nakon toga para još zagrijava, kaže se da turbina radi sa pregrijanom parom. Para se zatim uvodi u turbinu i tu predaje dio 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 primjer vezan za klipne motore: sa jedne strane cilindra imamo zatvoren, zagrijan gas pod visokim pritiskom (produkti sagorijevanja), 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 koljenastim 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 djelimično 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 rijeke 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. Dio postrojenja gdje se radno tijelo 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 okolne.

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 - sagorijevanjem goriva u samom radnom tijelu (vazduhu), tako da PT nije motor sa unutrašnjim sagorijevanjem. Takođe parna turbina ima (najčešće) zatvoren ciklus, gde se radno tijelo 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.

Turbopostrojenje i parni blok 

Radno tijelo se zagrijava u parnom kotlu gde mu se predaje toplota dobijena sagorijevanjem goriva, najčešće fosinlih. U tom slučaju, zagrijani produkti sagorijevanja predstavljaju toplotni izvor. Takođe, može se koristiti otpadna toplota od neke druge mašine ili industrijskog procesa. Kod nuklearnih postrojenja voda, odnosno para, zagrijavaju se toplotom dobijenom u nuklearnom reaktoru. 

Parna turbina sa kondenzatorom, pumpama, cjevovodima i ostalom pratećom opremom se naziva turbopostrojenje. Turbopostrojenje zajedno sa parnim kotlom, odnosno sa kotlovskim postrojenjem naziva se parni blok.

Historijski razvoj 

Ono što bi se moglo nazvati prvom poznatom parnom turbinom napravio je Heron Aleksandrijski 120 godina prije nove ere. To je bio mali loptasti rezervoar zagrijan 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 vijeka 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..

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 dio 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 tijela) 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 usmjeravaju je pod određenim uglom. Pri tome se kanali između lopatica sužavaju i time se vrši ubrzavanje struje. Tako je para skrenuta i primjetno ubrzana. Ukupna energija pare ostaje ista, ali se njena kinetička energija povećala na račun energije usljed 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 promjene 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 prije radnog kola, ali sa smanjenom brzinom, što znači da je jedan dio energije predat rotoru kao mehanički rad. Zatim para odlazi u naredni stupanj gde se proces odvija iz početka, i tako sve do posljednjeg 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 dvije vrste stupnjeva ima svoje mane i prednosti. Akcioni stupnjevi mogu preraditi veću količinu energije pri dobrom stepenu korisnosti, ali se mora pribjegavati specijalnim konstrukcijskim rješenjima da bi se smanjio neželjeni prolazak pare kroz zazore između pokretnih i nepokretnih djelova, 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.

Podjele 

Po načinu strujanja turbine se dijele na aksijalne i radijalne, prema smijeru 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 dijele 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 visokog 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), gdje 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 grijanje sanitarne vode.

Stepen korisnosti 

Stepen korisnosti toplotnih motora pretstavlja 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 dijela pare iz turbine za potrebe zagrijavanja 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.

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.

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.

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.

Energetika