Steam Turbine Fundamentals

16,340 views

Published on

This slideshare has been developed for Engineers entering the Power industry, and enthusiasts of power technology.
It covers the basic history, theory, operation and importance of steam turbines from a mechanical viewpoint.

Published in: Education, Business
2 Comments
28 Likes
Statistics
Notes
No Downloads
Views
Total views
16,340
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
23
Actions
Shares
0
Downloads
1,636
Comments
2
Likes
28
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Steam Turbine Fundamentals

  1. 1. Steam Turbine Fundamentals An introductory guide to the operation of modern steam turbines v. 1.0 1
  2. 2. About the presentation This presentation teaches the reader about the operation and importance of steam turbines in electricity  generation.    Readers will become familiar with the key components of a steam turbine, and be able to describe how the  complete system works. It is suitable for engineers entering the power industry, and keen enthusiasts of power systems. Note that it assumes some basic knowledge of electrical and thermodynamic systems. Foreword 2
  3. 3. ► Invention attributed to Sir Charles Parsons in 1884. ► First compound (multi‐stage) turbine developed in 1887. ► A majority of the world’s power today is produced by steam turbines from a variety of fuels  including: • Coal • Nuclear • Oil • Concentrated Solar • Geothermal ► Some major manufacturers include: • Siemens • Toshiba • Alstom • General Electric History 3
  4. 4. Basic Principles What they do ► Steam turbines are used for stable, high output electricity needs.  Modern units  can exceed 1GW from a single system. ► They are coupled to AC generators and run at constant speed (usually  3,000rpm) which creates a reliable frequency (50Hz Australia, 60Hz USA) and  stable output power. 4
  5. 5. Basic Principles How they do it ► Boilers create superheated steam which is  used to spin a turbine.   ► Steam turbine operation is based on the  Rankine cycle with 4 key stages: • 1‐2: Pressurise • 2‐3: Heat • 3‐4: Expand • 4‐1: Condense Boilers ‘pressurise’ and ‘heat’, Turbines ‘expand’ and ‘condense’. 5
  6. 6. Importance of steam turbines Pro’s • Very stable base load • High level of control over electricity output • Very high output from single machines (up to 1GW+) • Serviceable life can be in excess of 30 years • Very diverse.  Can use a wide range of power sources to generate steam Con’s • Long start up and shut down times.  Not ideal for peak loading • High capital expense.  Generally viable only  in large scale installations • Minimal redundancy.  Taking a single unit offline can take up to 1GW of  power off a grid • Maintenance intensive.  Require full time maintenance technicians and  engineers to operate. Basic Principles 6
  7. 7. Turbine Layout Steam path indicated in blue.   7 Read on for a breakdown of each component
  8. 8. 1 ‐ Boiler Water is pressurised and superheated to set conditions, generally: • 600+ deg C* • 15+MPa* Steam passes through a series of protection valves: • Main isolation shuts down the system in an emergency • Governor valves regulate the inlet steam for consistent operation *typical value.  Will vary depending on manufacturer, machine size, and age. 8
  9. 9. 2 – HP Turbine Steam enters the HP (high pressure) turbine through nozzles. Mechanical energy is generated by the steam passing over a series of fixed and rotating blades.   Fixed blades on the stator guide steam through the rotor blades, causing the rotor to turn. The steam expands and cools as it moves through the blades. Steam leaves at a reduced pressure and temperature, approximately: • 350 degC* • 7 MPa* 9 *typical value.  Will vary depending on manufacturer, machine size, and age.
  10. 10. 3 – Re‐heat Steam re‐enters the boiler through a dedicated ‘re‐heat’ system. This raises the steam back to inlet temperature, but does not change  pressure. 10
  11. 11. 4 – IP Turbine Re‐heated steam enters the IP (intermediate pressure) turbine under the re‐ heated conditions, approximately: • 600+ deg C* • 6‐7 MPa* Steam exits the IP turbine through the ‘cross over pipe’. 11 *typical value.  Will vary depending on manufacturer, machine size, and age.
  12. 12. 5 – LP Turbine Steam from the cross over pipe enters the centre of the LP (low pressure)  turbine at a further reduced pressure and temperature, approximately: • 350deg C* • 900 kPa* Steam expands out in both directions along the IP blades.  By the last set of  blades, the steam has lost enough energy that it is no longer superheated. 12 *typical value.  Will vary depending on manufacturer, machine size, and age.
  13. 13. 6 ‐ Condenser The condenser rapidly cools the steam leaving the LP turbine. As the steam condenses, it vastly reduces its volume, creating a vacuum.  Condenser  conditions may be approximately: • 40 deg C* • 10 kPa(abs) * This vacuum draws steam through the LP turbine, extracting more mechanical power. 13 *typical value.  Will vary depending on manufacturer, machine size, and age.
  14. 14. 7 – Return to Boiler Condensed water is passed through a series of pre‐heaters on its way back to  the main boiler. Though it may seem counter‐intuitive to deliberately cool the steam in the  condenser only to re‐heat it again, a more in depth analysis of the  thermodynamics and re‐heat process will show that this increases the  efficiency of the system. 14
  15. 15. 8 ‐ Generator The turbine extracts power simultaneously from the HP, IP and LP rotors. The shaft is coupled directly to a generator.  This outputs 3 phase power to a  step up transformer, and finally the electricity grid. 15
  16. 16. System Review 1. Steam is superheated to 600+ degrees C, and 15+ MPa. 2. It passes through the HP turbine, converting heat and pressure to rotating energy 3. Exit steam returns to the boiler for re‐heat, but pressure remains the same. 4. It then passes through the IP turbine at 600+ degrees C and 6MPa. 5. Steam flows through the crossover pipe, directly in to the LP turbine at 350 degrees C and  900kPa 6. Steam exists the LP turbine to the condenser, operating at 40 degrees C and 10kPa  absolute 7. The Condensed water is returned to the boiler through a series of pre‐heaters. 8. The generator is rotated by the common shaft, and outputs a consistent 3 phase load. 16
  17. 17. Further Study Useful topics to learn  from here: • Impulse vs. Reaction turbines • Steam seals • Re‐heat and feedwater systems • Generator cooling systems 17
  18. 18. Joshua Lowndes Mechanical Engineer Perth, Australia If you have any questions or would like to talk more on the Power  Industry in WA, I welcome you to get in touch via LinkedIn. My name is Joshua Lowndes, I am a Mechanical Engineer from Perth, Australia.  I work directly  with grid connected steam turbines, consulting in maintenance and technical support roles.  I believe steam turbines are fundamental to all large scale power generation facilities, fossil  fuel and renewable energy alike, and an understanding of them is paramount for any engineer  in the Power industry.   I welcome any feedback and I’m always open to discussion on Western Australia’s power  industry. About the author 18 Thanks for reading!

×