Цикл работы паросиловой установки кратко

Обновлено: 17.05.2024

Для того чтобы иметь возможность использовать теплоту, отдаваемую конденсирующимся паром, нужно увеличить давление в конденсаторе, т.е. увеличить температуру, при которой конденсируется этот пар. Повышение нижней температуры цикла приведет к некоторому уменьшению термического КПД и, следовательно, к уменьшению выработки электроэнергии при тех же, что и раньше, затратах топлива. Поэтому с точки зрения экономичности собственно цикла такая операция является невыгодной. Однако возможность получения больших количеств теплоты для технологических и бытовых нужд за счет некоторого сокращения выработки электроэнергии оказывается весьма выгодной (избавляет от необходимости сооружать специальные отопительные котельные, как правило, небольшие, имеющие сравнительно невысокий КПД и поэтому требующие повышенного расхода топлива, а также нерационально использующие теплоту высокого температурного потенциала при сжигании топлива для нагрева низкотемпературного рабочего тела, что невыгодно из-за уменьшения работоспособности системы).

Комбинированную выработку на электростанциях электроэнергии и теплоты называют теплофикацией, а турбины, применяемые на таких электростанциях, — теплофикационными.

Тепловые электростанции, осуществляющие комбинированную выработку электроэнергии и теплоты, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ) в отличие от чисто конденсационных электростанций (КЭС), производящих только электроэнергию.

Цикл теплофикационной паросиловой установки изображен в Т, s-диаграмме на рис. 11.37. В этой диаграмме работа цикла, как обычно, изображается площадью 1-2-3-5-4-6-1, а площадь А-3-2-В-А представляет собой теплоту q2, отданную внешнему потребителю.

Для характеристики экономичности работы ТЭЦ применяется так называемый коэффициент использования теплоты K, определяемый как отношение суммы полезной работы, произведенной в цикле, lэ и теплоты q2, отданной внешнему потребителю, к количеству теплоты q1, выделившейся при сгорании топлива:

Значение K тем ближе к единице, чем совершеннее установка, т.е. чем меньше потери теплоты в котлоагрегате и паропроводе, механические потери в турбине, механическиe и электрические потери в электрогенераторе.

14. Цикл термоэлектрической установки.

Эффект, существо которого состоит в следующем: в электрической цепи, составленной из двух разнородных проводников, возникает разность электрических потенциалов, если точки спаев этих двух проводников помещены в среды с разными температурами (рис. 12.1). Эта разность потенциалов носит название термоэлектродвижущей силы (термоЭДС); электрическую цепь, в которой возникает термоЭДС, называют термоэлектрической цепью, а материалы, из которых составлена термоэлектрическая цепь, — термоэлектродами.

При этом разность потенциалов оказывается пропорциональной разности температур спаев термоэлектрической цепи:

или в дифференциальной форме

где Е — термоЭДС; α — коэффициент пропорциональности.

При этом количество теплоты Q, поглощаемой или выделяющейся в спае, оказывается пропорциональным силе тока I:

Q = ΠI, где П - коэффициент Пельтье Q = αTI

ТермоЭДС, возникающая в цепи, в соответствии с уравнением (12.2) равна ΔE = α(Т1 – Т2) , где Т1 и Т2 — температуры спаев, Т1 > Т2. Если эта цепь замкнута на какое-либо внешнее сопротивление, то в цепи течет ток I. При этом в соответствии с уравнением (12.5) горячий спай поглощает из горячего источника теплоту:

а холодный спай выделяет и передает холодному источнику теплоту

Количество теплоты Q1, отбираемой из горячего источника, равно:

работа, отдаваемая внешнему потребителю

КПД термоэлектрогенератора.

В современной стационарной теплоэнергетике в основном используются паровые теплосиловые установки. На долю паротурбинных электростанций приходится более 80% вырабатываемой электроэнергии. В паровых теплосиловых установках в качестве рабочего тела, как правило, используется водяной пар, что объясняется доступностью и дешевизной воды.

На рисунке 7.8 приведена схема паросиловой установки.

Рисунок 7.8. Принципиальная

схема паросиловой установки

Из парового котла ПК перегретый пар с параметрами поступает в паровую турбину. При расширении в сопловом аппарате пар приобретает значительную кинетическую энергию, которая в роторе турбины превращается в техническую работу. Механическая энергия турбины превращается в электрогенераторе в электрическую энергию. После турбины пар с давлением р₂ и энтальпией h₂поступает в конденсатор , представляющий собой теплообменник, в трубках которого циркулирует вода, охлаждающая пар. В конденсатор отводится теплота в количестве , в результате чего пар конденсируется. Конденсат подается насосом в котел, и цикл повторяется вновь. Таким образом, характерная особенность паросиловых установок — фазовое превращение рабочего тела в цикле,

Рассмотрим описанный замкнутый процесс в -, - и координатах (рисунок 7.9).

Точка 4 соответствует состоянию рабочего тела перед паровым котлом. В котле происходят: нагрев жидкости (4— 5), парообразование (5—6) и перегрев пара (6—1). Теплота , подведенная к 1 кг рабочего тела в изобарном процессе, равна разности энтальпий в конечной и начальной точках процесса .

В паровой турбине осуществляется адиабатный процесс расширения (1—2). В результате перегретый пар превращается в сухой насыщенный пар, а затем во влажный с параметрами точки 2. Конденсация пара происходит при постоянном давлении (процесс 2—3). Изобары в области влажного пара являются одновременно и изотермами, т. е. на участке 2—3 давление р₂ и температура Т₂ остаются неизменными.

При этом от рабочего тела отводится в окружающую среду количество теплоты .

Рисунок 7.9. Цикл Ренкина:

а ¾ в -координатах; б ¾ в - координатах; в ¾ в - координатах

Процесс 3—4 подачи конденсата в котел насосом изображается изохорой, так как вода практически несжимаема. Точки 3 и 4 на - и -диаграммах не совпадают, но это отклонение столь мало, что им пренебрегают. Образованный таким образом термодинамический цикл называется циклом Ренкина(по имени шотландского физика, предложившего его в середине прошлого столетия).

Термический КПД цикла Ренкина

Как уже говорилось, можно принять, что , т. е.

где — энтальпия конденсата в точке 3.

Выражение в числителе равняется работе цикла.

Из приведенной формулы следует, что термический КПД цикла Ренкина определяется значениями энтальпий пара до турбины и после нее и энтальпии воды при температуре конденсации пара . Поэтому при определении значения цикла паросиловой установки удобно пользоваться - диаграммой.

Для повышения термического КПД паросиловой установки следует расширить пределы рабочего процесса, а именно повысить давление и температуру перегретого пара (т. е. повысить значение )и понизить давление р₂пара за турбиной.

На современных тепловых электростанциях начальное давление (применяется также сверхкритическое давление, равное 24 МПа), температура пара . Давление пара за турбиной р₂ = 3. 5 кПа.

Так как с увеличением давления при постоянном предельном значении температуры повышается влажность пара в конце процесса расширения (на -диаграмме процесс сдвигается влево), то применяют промежуточный перегрев пара. Давление промежуточного перегрева выбирают так, чтобы работа цикла при этом увеличивалась в большей степени, чем расход теплоты (с учетом дополнительного расхода на промежуточный перегрев пара).

В паросиловой установке термический КПД повышается при ее работе по регенеративному циклу, что обусловлено приближением цикла к регенеративному циклу Карно. В регенеративном цикле паросиловой установки часть пара отбирается из турбины на участке расширения 1—2 и направляется в теплообменник, где, смешиваясь с конденсатом, повышает его температуру перед котлом. В результате такого мероприятия работа цикла несколько уменьшается, но вследствие снижения расхода теплоты в котле КПД цикла становится выше.

Оптимальные значения давления отбора пара из турбины (а следовательно, температуры подогрева конденсата) определяют на основании соответствующих технико-экономических расчетов.

Эффективность топлива, сжигаемого в паросиловой установке, можно повысить, если удаляемую теплоту (а она составляет не менее половины количества теплоты, подведенной от источника с более высокой температурой) использовать для отопления и горячего водоснабжения или для различных технологических процессов. В конденсационных электростанциях, предназначенных для выработки только электрической энергии, охлаждающая вода после конденсатора имеет температуру 20. 35 °С, и использовать теплоту этой воды (ввиду низкой температуры она называется низкопотенциальной теплотой) практически сложно. Для нужд отопления, горячего водоснабжения и т. п. температура воды должна быть не менее 80…100 С С. Этого можно достигнуть, если повысить давление пара р₂, выходящего из турбины. Такие турбины называют турбинами с ухудшенным вакуумом. Если давление р₂ выше атмосферного, то турбины называют турбинами с противодавлением. Обычно давление пара за турбиной 0,10. 0,15 МПа, в то время как на станциях без отпуска теплоты потребителям р₂ =3. 5 кПа.

На рисунке 7.8 приведена схема паросиловой установки.

Рисунок 7.8. Принципиальная

схема паросиловой установки

Рассмотрим описанный замкнутый процесс в -, - и координатах (рисунок 7.9).

При этом от рабочего тела отводится в окружающую среду количество теплоты .

Рисунок 7.9. Цикл Ренкина:

а ¾ в -координатах; б ¾ в - координатах; в ¾ в - координатах

Термический КПД цикла Ренкина

Как уже говорилось, можно принять, что , т. е.

где — энтальпия конденсата в точке 3.

Выражение в числителе равняется работе цикла.

В паросиловых установках в качестве рабочего тела используются пары различных жидкостей (вода, ртуть и т. п.), но чаще всего водяной пар.

В паровом котле паросиловой установки (1) за счет подвода теплоты Q₁, получаемой за счет сгорания топлива в топке, образуется пар при постоянном давлении р₁ (рис. 33). В пароперегревателе (2) он дополнительно нагревается и переходит в состояние перегретого пара. Из пароперегревателя пар поступает в паровой двигатель (3) (например, в паровую турбину), где полностью или частично расширяется до давления р₁ с получением полезной работы L₁. Отработанный пар направляется в холодильник-конденсатор (4), где он полностью или частично конденсируется при постоянном давлении р₂. Конденсация пара происходит в результате теплообмена между отработавшим паром и охлаждающей жидкостью, протекающей через холодильник-конденсатор (4).

После холодильника сконденсированный пар поступает на вход насоса (5), в котором давление жидкости повышается с величины р₂ до первоначального значения р₁ после чего жидкость поступает в паровой котел (1). Цикл установки замыкается. Если в холодильнике (4) происходит частичная конденсация отработавшего пара, то в паросиловой установке вместо насоса (5) используется компрессор, где давление пароводяной смеси также повышается с р₂ до р₁. Однако для того, чтобы уменьшить работу на сжатие, целесообразно полностью сконденсировать пар в конденсаторе и затем сжимать не пароводяную смесь, а выходящую из конденсатора воду. Описанный цикл паросиловой установки называется циклом Ренкина (рис. 34).

Цикл Ренкина состоит из изобары (4–1), где подводится теплота в нагревателе, адиабаты (1–2) расширения пара в паровой турбине, изобары (2–3) отвода теплоты в холодильнике-конденсаторе и изохоры (3–4) повышения давления воды в насосе. Линия (4–а) на изобаре соответствует процессу повышения температуры жидкости после насоса до температуры кипения при давлении р₁. Участок (a–b) соответствует превращению кипящей жидкости в сухой насыщенный пар, а участок (b–1) – процессу подвода теплоты в пароперегревателе для превращения сухого насыщенного пара в перегретый.

Рис. 34. Цикл Ренкина в координатах p-v (а) и Т-s (б)

Работа, совершаемая паром в турбине, равна разности энтальпий пара до и после турбины

Работа, затраченная на сжатие воды в насосе, определяется так же по разности энтальпии рабочего тела в точках (4) и (3).

В координатах р-v эта работа определяется площадью e-3-4-f (рис. 34a). Эта работа весьма мала по сравнению с работой турбины.

Полезная работа цикла равна работе турбины за вычетом работы, затрачиваемой на привод насоса w_Н

Удельное количество теплоты q₁, подведенной в котле и пароперегревателе, определяется из первого начала термодинамики (работа при этом не совершается) как разность энтальпий рабочего тела в процессе подвода теплоты

где h₄ – энтальпия горячей воды на входе в паровой котел при давлении р₂ практически равна по величине энтальпии кипящей воды в точке (3),
т.е. h₄ @ h₃.

Сопоставляя соотношения, можно определить термический КПД цикла Ренкина как отношение полезно полученной работы в цикле к количеству подведенной теплоты

Другая важная характеристика паросиловой установки – удельный расход пара d, который характеризует количество пара, необходимого для выработки 1 кВт·ч энергии (3600 Дж), и измеряется в .

Удельный расход пара в цикле Ренкина равен

Удельный расход пара определяет размеры агрегатов: чем он больше, тем больше пара приходится вырабатывать для получения той же мощности.

Пути повышения экономичности паросиловых установок

Термический КПД цикла Ренкина даже в установках с высокими параметрами пара не превышает 50 %. В реальных установках из-за наличия внутренних потерь в двигателе значение КПД еще меньше.

Существуют два пути повышения экономичности паросиловых установок: повышение параметров пара перед турбиной и усложнение схем паросиловых установок.

1 – парогенератор; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина;
4 – конденсатор; 5 – питательный насос; 6 – тепловой потребитель

Первое направление приводит к увеличению теплоперепада в процессе расширения пара на турбине (h₁ - h₂) и, как следствие, к увеличению удельной работы и КПД цикла. При этом теплоперепад по турбине h₁-h₂ можно дополнительно увеличить, снижая противодавление в конденсаторе установки, т.е. уменьшая давление р₂. Повышение экономичности паросиловых установок этим путем связано с решением ряда трудных технических задач, в частности, использования высоколегированных, жаропрочных материалов для изготовления турбины.

Эффективность использования паросиловой установки можно значительно повысить за счет использования теплоты отработавшего пара для отопления, горячего водоснабжения, сушки материалов и т. д. С этой целью охлаждающую воду, нагретую в конденсаторе (4) (рис. 35), не выбрасывают в водоем, а прокачивают через отопительные установки теплового потребителя (6). В таких установках станция вырабатывает механическую энергию в виде полезной работы L₁ на валу турбины (3) и теплоту Q_т.п для отопления. Такие станции называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии – один из основных методов повышения эффективности тепловых установок.

Повысить КПД паросиловой установки по сравнению с циклом Ренкина можно за счет применения так называемого регенеративного цикла
(рис. 36). В этой схеме питательная вода, поступающая в котел (1), нагревается паром, частично отбираемым из турбины (3). По этой схеме пар, полученный в котле (1) и перегретый в пароперегревателе (2), направляется в турбину (3), где происходит его расширение до давления в конденсаторе (4). Однако часть пара после совершения им работы из турбины и направляется в регенеративный подогреватель (6), где в результате конденсации он подогревает питательную воду, подаваемую насосом (5) в котел (1).

Сам конденсат после регенеративного подогревателя поступает на вход насоса (5) или в конденсатор 4, где он смешивается с конденсатом пара, прошедшего через все ступени турбины. Таким образом, в котел поступает такое же количество питательной воды, какое и выходит из него в виде пара. Из диаграмм (рис. 37) видно, что каждый килограмм пара, входящий в турбину, расширяется от давления р₁ до давления р₂, совершая работу w₁=h₁-h₂. Пар в количестве (1 - g) долей килограмма расширяется до конечного давления p₃, совершая работу w₂=h₂-h₃. Суммарная работа 1 кг пара в регенеративном цикле будет

где – доля пара отбираемого из турбины и подаваемого в регенератор.

Рис. 37. График адиабатного расширения пара в турбине с промежуточным отбором (а) и изменения количества пара (б)

Уравнение показывает, что использование регенерации теплоты приводит к уменьшению удельной работы расширения по сравнению с циклом Ренкина с теми же параметрами пара. Однако расчеты показывают, что работа в регенеративном цикле уменьшается медленнее, чем расход теплоты на получение пара при наличии регенерации, поэтому КПД паросиловой установки с регенеративным подогревом в итоге выше КПД обычного цикла.

Применение пара высоких и сверхвысоких давлений с целью повышения КПД установок наталкивается на серьезное затруднение: влажность его на последних ступенях турбины получается настолько высокой, что заметно снижает КПД турбины, вызывает эрозию лопаток, может служить причиной выхода их из строя. Поэтому в установках с высокими параметрами пара приходится применять так называемый промежуточный перегрев пара, что также ведет к повышению КПД установки (рис. 38).

Рис. 38. Схема паросиловой установки с промежуточным перегревом пара:

1 – парогенератор; 2 – пароперегреватель; 3 – турбина высокого давления (ТВД); 4 – турбина низкого давления (ТНД); 5 – конденсатор; 6 – питательный насос; 7 – промежуточный пароперегреватель; 8 – потребитель

В паросиловой установке с промежуточным перегревом пара, после расширения в турбине высокого давления (3) пар отводится в специальный пароперегреватель (7), где он вторично подогревается при давлении р_рп до температуры , которая обычно несколько ниже, чем температура t₁. Перегретый пар поступает в турбину низкого давления (4), расширяется в ней до конечного давления р₂ и уходит в конденсатор (5) (рис. 39).

Влажность пара после турбины при наличии перегрева пара значительно меньше, чем она была бы без него (x₁>x₂) (рис. 39). Применение промежуточного перегрева в реальных условиях дает повышение КПД приблизительно на 4 %. Этот выигрыш получается не только за счет повышения относительного КПД турбины низкого давления, но и за счет повышения суммарной работы расширения пара по турбине низкого и высокого давлений. Дело в том, что сумма отрезков и , характеризующих работу соответственно турбин высокого и низкого давлений, больше отрезка 1 – e, характеризующего работу расширения в турбине установки, в которой не применяется промежуточного перегрева пара (рис. 39б).

Тогда если системы B и C находятся в тепловом равновесии, то системы A и C также находятся в тепловом равновесии между собой. Людмила Фирмаль

Перегретый пар направляется в проточную часть турбины и сначала направляется в канал сопловой решетки (в реактивной турбине канал направляющей и рабочая решетка), где осуществляется процесс адиабатического расширения 12.Так как точка 2 находится в области влажного насыщенного пара, то общее количество теплоты л = Vapor пара в этом состоянии определяется по формуле (1.153) и равно точке 2В из области 0-32св,$ 7-дешрам, или соотношению (1.158) следующим образом: si график.

Пар, потребляемый турбиной, поступает в конденсатор, где тепло q2 отводится от пара охлаждающей водой, а пар конденсируется (процесс 23) и превращается в воду (конденсат) по условному параметру пункта 3.Затем конденсат возвращается в котел с помощью насоса (пункт 4).Обычно при анализе такого цикла воду принимают за несжимаемый объект.

Поэтому процесс откачки воды 34 принимается как изопластический. Нижняя граница кривой расположена вблизи линии этого процесса, поэтому ее часто совмещают с процессом сжатия на насосе и нагревом до кипящего состояния воды в котле! (sT и si диаграмма процесса 35).Образовавшийся таким образом термодинамический цикл является циклом Репкина.

Чем ниже давление в конденсаторе (чем глубже вакуум), тем больше работа пара в лопатках турбины и тем выше тепловой КПД. Цикл нагрузка / q также может быть увеличен путем увеличения давления (Gi =iᵥ- -i₂> / c = ii-i₂) и температуры перегрева (ломаная линия 5 ’67′). в пароприводной установке с промежуточным перегревом пара столб 1-й ступени (процесс 13, рис. 1.37) перегревается в промежуточном перегревателе (процесс 34) и расширяется во 2-й ступени Рис. 1.37.

C схема привода паросиловой установки в сочетании со звуком ro в средней части ne child Турбинная ступень (процесс 42). при наличии промежуточного вращения персов конечная влажность пара снижается(x2.It следует отметить, что X2), условия работы лопаток последней ступени турбины улучшаются. Если будет промежуточный перегрев, то работа сделанная в цикле увеличит ч =(ч-б)+(г-г)> ч〜- В соответствии с формулой (1.293) дополнительное тепло qₘ-i₄-i₃ подается в промежуточный гель звукового датчика геля, так что тепловой КПД цикла Б = — ч)+(i₄ — * 2）] / [＆- -У +(и4-i₃) Ж. (1-294）.

Давление промежуточного перегрева следует выбирать таким образом, чтобы рабочий объем/ q цикла увеличивался более интенсивно, чем количество тепла. Перегрев в середине может привести к увеличению начального пара pressure. In дело в том, что при отсутствии промежуточного перегрева при определенном давлении p2 начальное давление повышается от pj до pg при ограничении верхней предельной температуры Tj в точке 1 (рис. 1.37 Рис. 1.38. Схема цикла воспроизведения З ’4′ о.） Г с Увеличьте влажность выхлопного пара(x₂. x₂ -).

С введением промежуточного перегрева этот недостаток устраняется. Воспроизведение cycle. In в паросиловой установке, работающей в цикле регенерации, часть пара выводится в середине рабочего процесса турбины и направляется в специальный теплообменник, где смешивается с конденсатом в количестве mₖ, а температура смеси повышается до температуры mQ t = + t«в котел. Работа конечной ступени турбины (после отбора пара) облегчается уменьшением количества пара, проходящего через нее. Цикл регенерации, как видно из сравнения теплового КПД цикла регенерации rjf и цикла Rsnkin c, тепловой .

КПД пароэнергетической установки составляет high. In цикл регенерации, часть пара проходит цикл 12’4561. (рисунок 1.38), а другая часть m *проходит цикл 123561.Конденсат нагревается за счет тепла, передаваемого от пара (область 44’3’3) (Процесс 34).Поэтому внешнее тепло, затрачиваемое на цикл регенерации, определяется областью 11 ′ 4 ′ 456. G = m / m для относительного отбора пара, u = mjm = \ — g для относительного количества пара, проходящего через конденсатор. Конкретная работа б.） На паровой электростанции、 +(1.295） Таким образом, тепловая эффективность цикла регенерации +(1.296） Где количество тепла? f численно равен ZT площади рисунка 4 ’45611′.

В цикле Rsnkin (см. Рисунок 1.36) число * 1 местоположений численно равно площади 3’35611 ’(см. Рисунок 1.38), а удельная работа/ k равна площади 12356.Согласно формуле (1.293), 1K = rj^,.Поскольку тепловой КПД цикла осуществляется выбранной порцией пара, r] =l₀ q \, n? = ГУ? + «П // 1 м(1.297） В теплообменнике отбираемый пар g и конденсат смешиваются, и удельное количество тепла, которое движется от пара к конденсату/₀, численно равно площади 4 ′ 42 ′ г. количество тепла, передаваемого паром gqQₜ, воспринимается конденсатом как: л (91-9?) = £9- Потому что удельная работа / ₀ численно равна площади 12 ′ 456、 Т)? = * о / 9? =(В?-9°) м、.

В то же время повышение температуры в конце размножения подроста, по поводу подбора заданного числа, приводит сначала к повышению эффективности цикла размножения, а затем, после достижения определенного максимума, к ее снижению. Людмила Фирмаль

Изотерм и сегменты изоляции).Регенеративный цикл 6745 с постоянной средней температурой теплопередачи, средняя температура теплоснабжения высока, тепловая эффективность улучшена, она приближается к тепловой эффективности цикла Карно. Оптимальный выбор температуры анализирует зависимость qf и rjP от To、 Бинарные циклы.

Бинарный цикл, например водно-ртутный цикл, величина TM обеспечивается ртутью, а T₁ₜ-водой(рис.1.39). Пары ртути (процесс Зр4р/р), турбины подается до температуры ТН|Р, установленных в сопле образуется в теплообменнике в давление, создаваемое в процессе расширения 1р2р делается. Пары ртути конденсируются(процесс 2p3p), после чего ртутный конденсат закачивается в котел и нагревается (процесс Zp4p). Охладитель теплообменного аппарата water. In котел представляет собой рабочую жидкость в нижнем ярусе оборудования, использующую тепло, полученное ртутью.

Реакторный цикл Цикл оборудованный с реактором был широко used. In в ядерном реакторе, когда тепловое Q выделяется при температуре TP реактора, происходит деление ядра ядерного топлива. Тепловое количество Q парогенератора, представляющего собой специальную теплоноситель, циркулирующий через реактор, передается теплоносителю 2-го Circuit. As в результате образуется пар, который используется в турбинах. Работа оборудования с реактором осуществляется по циклу, показанному на схеме. 1.39.As охлаждающая жидкость.

Бинарный цикл-это термодинамический цикл, выполняемый двумя рабочими органами. Первичные контуры, непосредственно подключенные к ядерным реакторам, используют природную и тяжелую воду, газ, жидкий металл и органические высококипящие жидкости. Во 2-м контуре теплоноситель нерадиоактивный, поэтому 2-й контур представляет собой обычную паровую установку. Игнорируя потерю термодинамического цикла работы, цикл работы Ec = C(1-T₂ / TUₚ）.

Где Т₂-температура охлаждающей жидкости 2-го контура на выходе из турбины. T₁avav-средняя термодинамическая температура подвода тепла к рабочему телу. Фактически часть рабочего КТЛ расходуется на нужды самой установки(например, перекачка конденсата и привод в движение питающего насоса), и в связи с этим цикл L = = Ln-ab тиви =(л-А) (Л-T₂/7’ₗcₚ) Эл. (1301）.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Для просмотра сайта используйте Internet Explorer

Тема 8. ПАРОСИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ

8.1.Принципиальная схема паросиловой установки

Преобразование энергии органического или ядерного топлива в механическую при помощи водяного пара осуществляется в паровых силовых установках (п. с. у.), которые являются базой современной крупной энергетики. Принципиальная схема простейшей паросиловой установки показана на рис. 8.1.

В паровом котле 1 вода превращается в перегретый пар с параметрами p₁, t₁, i₁, который по паропроводу поступает в турбину 2, где происходит его адиабатное расширение до давления p₂ с совершением технической работы, приводящей во вращательное движение ротор электрического генератора 3. Затем пар поступает в конденсатор 4, который представляет собой трубчатый теплообменник. Внутренняя поверхность трубок конденсатора охлаждается циркулирующей водой.

В конденсаторе при помощи охлаждающей воды от пара отнимается теплота парообразования и пар переходит при постоянных давлении р₂ и температуре t₂ в жидкость, которая с помощью насоса 5 подаётся в паровой котёл 1. В дальнейшем цикл повторяется.

На рис. 8.2 приведена схема паровой турбины. Турбинные установки предназначены для преобразования энергии рабочего тела (пара, газа), имеющего высокое давление и температуру, в механическую энергию вращения ротора турбины. Турбины используют в качестве двигателей электрогенераторов, турбокомпрессоров, воздуходувок, насосов.

Водяной пар с высоким давлением и температурой поступает в сопло 1, при истечении из которого его давление снижается, а кинетическая энергия увеличивается. Струя пара направляется на закреплённые на диске 3 ротора турбины лопатки 2, отдавая им часть своей кинетической энергии, которая через лопатки передаётся вращающемуся ротору.

Обычно турбина имеет несколько сопел, составляющих сопловый аппарат. Рабочие лопатки расположены по всей окружности диска и образуют рабочую решётку. Сопловый аппарат и рабочая решётка составляют ступень турбины, а каналы для прохода газа - проточную часть турбины.

Турбины бывают одноступенчатые и многоступенчатые, активного и реактивного типов.

В активных турбинах процесс расширения пара происходит только в соплах, а в реактивных - в соплах и в каналах рабочих лопаток.

8.2.Цикл Ренкина

В паросиловых установках применяют цикл Ренкина. В цикле Ренкина охлаждение влажного пара в конденсаторе производится до превращения его в воду.

Различают цикл Ренкина с сухим насыщенным паром и с перегретым паром (рис. 8.3). В цикле Ренкина с сухим насыщенным паром сухой насыщенный пар с параметрами p₁, T₁, i₁ поступает из парового котла в турбину (точка 1 на рис. 8.3), где адиабатно расширяется от давления p₁ до давления p₂ (точка 2). После турбины влажный насыщенный пар с параметрами p₂, T₂, i₂ поступает в конденсатор, где полностью конденсируется при постоянных давлении и температуре (точка 3). Питательная вода с помощью насоса сжимается до давления p₁, равного давлению в паровом котле, и подаётся в котёл (точка 4). Параметры воды на входе в котёл – p₁, T₂, i₄. В паровом котле питательная вода смешивается с кипящей водой, нагревается до температуры кипения и испаряется

Цикл Ренкина состоит из следующих процессов:

4′-1 – процесс парообразования в котле при постоянном давлении;

1-2 – процесс адиабатного расширения пара в турбине;

2-3 – процесс конденсации влажного пара в конденсаторе с отводом теплоты с помощью охлаждающей воды;

3-4 – процесс адиабатного сжатия воды в насосе от давления p₂ до давления p₁;

4-4’ – процесс подвода теплоты к воде при давлении p₁ в паровом котле до соответствующей этому давлению температуры кипения.

Термический к. п. д. цикла

Теплота q₁ в цикле подводится в процессах: 4-4’ – подогрев воды до температуры кипения в котле; 4′-1 – парообразование в котле. Для 1 кг пара q₁ в изобарном процессе равно разности энтальпий конечной (точка 1) и начальной (точка 4) точек процесса подвода тепла:

Отвод теплоты q₂ происходит в конденсаторе по изобаре 2-3, следовательно

Подставив (8.2) и (8.3) в (8.1), получим

Термический к. п. д. цикла Ренкина меньше термического к. п. д. цикла Карно при одинаковых начальных и конечных параметрах пара, так как в цикле Карно теплота q₁ затрачивается только на процесс парообразования (то есть q₁≈r), а в цикле Ренкина она затрачивается как на парообразование, так и на подогрев питательной воды в процессе 3-4. Поэтому для паросиловых установок в заданном температурном интервале термодинамически наиболее выгодным циклом мог бы быть цикл Карно. Однако его осуществление связано с большими трудностями. Цикл Карно относительно проще было бы осуществить в области влажного пара. Это объясняется тем, что в области влажного пара изотермические процессы совпадают с изобарными и могут быть реально осуществлены в котле и конденсаторе. Однако в цикле Карно конденсация пара в изотермическом процессе происходит не полностью, вследствие чего в последующем адиабатном процессе сжимается не вода, как в цикле Ренкина, а влажный пар, имеющий относительно большой объем.

В цикле Ренкина с перегретым паром добавляется ещё один процесс: 1-1’ – перегрев пара.

8.3.Влияние параметров пара на термический к. п. д. цикла Ренкина

Анализ термического к. п. д. цикла Ренкина показывает, что термический к. п. д. паросиловой установки возрастает при увеличении начального давления p₁ и начальной температуры пара t₁.

При увеличении температуры пара на выходе из котлоагрегата (давление пара не изменяется) увеличивается i₁. Если остальные энтальпии, входящие в выражение (8.5), неизменны, что технически осуществимо, то, как следует из (8.5), увеличение температуры пара на выходе из котлоагрегата сопровождается ростом η_t.

При увеличении давления пара на выходе из котлоагрегата (температура перегретого пара не изменяется) уменьшается i₁ (смотри таблицы термодинамических свойст воды и перегретого пара). Если остальные энтальпии, входящие в выражение (8.5), неизменны, что технически осуществимо, то, как следует из (8.5), увеличение давления перегретого пара на выходе из котлоагрегата сопровождается уменьшением η_t. Следовательно, давление на выходе котлоагрегата целесообразно повышать только с целью увеличения температуры пара.

8.4.Пути повышения экономичности паросиловых установок

Несмотря на то, что в настоящее время осуществляется массовое освоение высоких и сверхвысоких параметров пара (p₁=23,0÷30,0 МПа; t₁= 570÷600 0 С), термический к. п. д. цикла Ренкина не превышает 50%. В реальных установках доля полезной использованной теплоты еще меньше из-за потерь, связанных с внутренней необратимостью процессов. В связи с этим были предложены другие способы повышения тепловой эффективности паросиловых установок.

Одним из таких способов является промежуточный перегрев пара (рис. 8.4). Здесь пар перегревается в пароперегревателе 2 парогенератора 1 и подаётся в цилиндр высокого давления 3, в котором находятся ступени турбины, рассчитанные на пар с высоким давлением. В цилиндре высокого давления пар производит механическую работу, его давление и температура снижаются. Из цилиндра высокого давления пар направляют в промежуточный пароперегреватель 4, где его температуру повышают, передавая ему некоторое количество тепла q₁’. Из промежуточного пароперегревателя пар направляют в цилиндр низкого давления 5, где он производит механическую работу, снижая своё давление и температуру до давления и температуры конденсатора 7. Из конденсатора насосом 8 конденсат подаётся в парогенератор. Цилиндры низкого и высокого давления находятся на одном валу с электрогенератором 6.

Количество тепла q₂ отдаваемое паром в конденсаторе, остаётся постоянным, а количество тепла q₁, сообщаемое пару в котлоагрегате увеличивается на q₁’, подводимое к пару в промежуточном пароперегревателе. Поэтому в соответствии с (8.1) термический к. п. д. паросиловой установки с промежуточным пароперегревателем выше, чем у паросиловой установки без промежуточного пароперегревателя. Увеличение термического к. п. д. в этом случае не превышает 2-3%.

Более эффективным способом повышения термического к. п. д. паросиловой установки является применение схем регенеративного подогрева питательной воды (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Схема паросиловой установки с промежуточным пароперегревателем и регенеративным подогревом питательной воды

Для получения такой схемы устанавливают подогреватель питательной воды 9 и организуют дополнительный отбор пара. Например, из цилиндра низкого давления. В этом случае пар, отбираемый на подогрев питательной воды, не отдает тепло в конденсаторе, и количество теплоты, теряемой в конденсаторе, уменьшается на некоторую величину q₂’. Поэтому в соответствии с (8.1) термический к. п. д. паросиловой установки повышается. Однако, в связи с тем, что часть пара, направляемого на подогрев питательной воды, не производит механическую работу на последующих ступенях турбины, мощность отдаваемая турбиной электрогенератору в этом случае снижается.

Регенеративный подогрев питательной воды позволяет увеличить термический к. п. д. паросиловой установки процентов на 10-12.

Читайте также: