Паровые теплосиловые установки с циклом ренкина кратко

Обновлено: 11.07.2024

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 6.1 приведена схема паросиловой установки. Из парового котла ПК перегретый пар с параметрами p1, T1, h1 поступает в паровую турбину Т. При расширении в сопловом аппарате пар приобретает значительную кинетическую энергию, которая в роторе турбины превращается в техническую работу. Механическая энергия турбины превращается в электрогенераторе ЭГ в электрическую энергию. После турбины пар с давлением р2 и энтальпией h2 поступает в конденсатор К, представляющий собой теплообменник, в трубах которого циркулирует вода, охлаждаю­щая пар.

Рис. 6.1 – Принципиальная схема паровой теплосиловой установки

В конденсатор отводится теплота в количестве q2, в ре­зультате чего пар конденсируется. Конденсат подается насосом Н в котел, и цикл повторяется вновь. Таким образом, характерная особенность паросиловых установок – фазовое превращение ра­бочего тела в цикле.

Рассмотрим описанный замкнутый процесс в рт–, Тs– и hs – координатах (рисунок 6.2).

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 q1, подведенная к 1 кг рабочего тела в изобарном процессе, равна разности энтальпий в конечной и начальной точках процесса q1 = h1 – h4.

В паровой турбине осуществляется адиабатный процесс расши­рения (1–2). В результате перегретый пар превращается в сухой на­сыщенный, 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 q2 = h2 – h3. Процесс 3–4 подачи конденсата в котел насосом изображается изохорой, так как вода практически несжимаема. Точки 3 и 4 на Ts– и hs – 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 hК – энтальпия конденсата в точке 3.

Из приведенной формулы следует, что термический КПД цикла Ренкина определяется значениями энтальпий пара до турбины h1 и после нее h2 и энтальпии воды hК при температуре конденсации пара t2. Поэтому при определении значения ηt, цикла паросило­вой установки удобно пользоваться hs – диаграммой.

а) в pv– координатах; б) в Ts – координатах; в) в hs – координатах

Рис. 6.2 – Цикл Ренкина

ТЕМА 6. ЦИКЛЫ ПАРОСИЛОВЫХ, ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК И ТЕПЛОВОГО НАСОСА

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 6.1 приведена схема паросиловой установки. Из парового котла ПК перегретый пар с параметрами p1, T1, h1 поступает в паровую турбину Т. При расширении в сопловом аппарате пар приобретает значительную кинетическую энергию, которая в роторе турбины превращается в техническую работу. Механическая энергия турбины превращается в электрогенераторе ЭГ в электрическую энергию. После турбины пар с давлением р2 и энтальпией h2 поступает в конденсатор К, представляющий собой теплообменник, в трубах которого циркулирует вода, охлаждаю­щая пар.

Рис. 6.1 – Принципиальная схема паровой теплосиловой установки

В конденсатор отводится теплота в количестве q2, в ре­зультате чего пар конденсируется. Конденсат подается насосом Н в котел, и цикл повторяется вновь. Таким образом, характерная особенность паросиловых установок – фазовое превращение ра­бочего тела в цикле.




Рассмотрим описанный замкнутый процесс в рт–, Тs– и hs – координатах (рисунок 6.2).

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 q1, подведенная к 1 кг рабочего тела в изобарном процессе, равна разности энтальпий в конечной и начальной точках процесса q1 = h1 – h4.

В паровой турбине осуществляется адиабатный процесс расши­рения (1–2). В результате перегретый пар превращается в сухой на­сыщенный, 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 q2 = h2 – h3. Процесс 3–4 подачи конденсата в котел насосом изображается изохорой, так как вода практически несжимаема. Точки 3 и 4 на Ts– и hs – 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 hК – энтальпия конденсата в точке 3.

Из приведенной формулы следует, что термический КПД цикла Ренкина определяется значениями энтальпий пара до турбины h1 и после нее h2 и энтальпии воды hК при температуре конденсации пара t2. Поэтому при определении значения ηt, цикла паросило­вой установки удобно пользоваться hs – диаграммой.

Если в цикле Карно на влажном паре обеспечить полную конденсацию пара в конденсаторе, то в котел будет подаваться не влажный насыщенный пар, а жидкость. Для подачи жидкости, с повышением давления от давления в конденсаторе до давления в паровом котле потребуется насос который компактнее и экономичнее компрессора. Такой цикл был предложен в 50-х годах 19-го века почти одновременно шотландским миссионером и физиком Уильямом Джоном Ренкиным (Rankin) (1820-1872) и немецким физиком Рудольфом Юлиусом эммануэлем Клаузиусом (Clausius) (1822-1888). Этот цикл чаще всего называют циклом Ренкина (Ранкина).

Схема паровой теплосиловой установки с циклом Ренкина отличается от установки с циклом Карно в основном тем, что вместо компрессора используется насос, называемый питательным.

Есть два варианта цикла Ренкина:

В сухом насыщенном паре;

с перегревом пара.

1.2.1 Паровые теплосиловые установки с циклом Ренкина в насыщенном паре


Рис 1.6 Схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина в насыщенном паре:

ПК – паровой котел;

ПТ – паровая турбина;

ЦН – циркуляционный насос;

ПН – питательный насос.



Рис.1.7 Цикл Ренкина в насыщенном паре на диаграмме



Рис 1.8 Цикл Ренкина в насыщенном паре на диаграмме

Линия 1-2 – адиабатное расширение в паровой турбине ПТ сухого насыщенного пара с понижением давления до, понижением температуры отдои уменьшением степени сухости до.

Линия 2-3 – процесс полной конденсации влажного насыщенного пара с параметрами ,идо состояния кипящей жидкости за счет отбора теплотыв конденсаторе К.

Линия 3-4 – процесс адиабатного сжатия жидкости в питательном насосе ПН с повышением давления от до. При сжатии удельный объем жидкостипочти не изменяется, а температура повышается всего на несколько градусов отдо. Эту недогретую жидкость с параметрамии() перед подачей в паровой котел специально подогревают до температурыв экономайзере Э при. Этот процесс изображается линией 4-5.

Термический КПД цикла Ренкина в насыщенном паре определяется по общей формуле.


;


Так как процесс теплоподвода изобарный (), то



Отвод теплоты также идет при , поэтому

, где .

Окончательно точная формула для термического КПД цикла Ренкина в насыщенном паре имеет вид:


(1.3)

На диаграмме (рис.1.7) работа привода питательного насоса изображается площадью контура 3-4-6-7, а надиаграмме(рис.1.8) ей соответствует площадь внутри контура 3-4-5-3.

В случае пренебрежения работой питательного насоса по сравнению с работой турбины, изобара() подогрева жидкости в экономайзере(линия 4-5) надиаграмме совпадает с нижней пограничной кривой(X=0). При этом процесс сжатия жидкости в питательном насосе (линия 3-4) надиаграмме совпадает с осью ординат (). Данный случай иллюстрируется рис.1.9 и рис.1.10.


Рис.1.10 Цикл Ренкина в насыщенном паре

на диаграмме при

Рис.1.9 Цикл Ренкина в насыщенном

паре на диаграмме при


Пренебрегая работой насоса (), когда из рис.1.10 , то формула (1.3) получим приближенное значение термического КПД цикла Ренкина:



Окончательно: (1.4)

Методическое пособие – курс лекций - содержит основные сведения о паросиловых и газотурбинных установках и их термодинамических циклах.

© Диденко В. Н. (составление), 2009

©Издательство ИжГТУ, 2009

1. ПАРОВЫЕ ТЕПЛОСИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ.

1.1 Циклы Карно во влажном паре.

Теплосиловые установки – это тепловые двигатели, предназначенные для преобразования теплоты в механическую работу.

В газовых теплосиловых установках рабочим телом является газ. Ранее было показано, что прямой обратимый цикл Карно обладает наивысшим термодинамическим КПД.

Рис 1.1 Прямой цикл Карно газообразного

рабочего тела на диаграмме

Если в качестве рабочего тела использовать газ, то приблизиться к изотермическому сжатию возможно с применением многоступенчатых компрессоров, у которых предусматривается промежуточное охлаждение после последней ступени.

А изотермическое расширение приблизительно можно воспроизвести за счет ступенчатого подвода теплоты в газотурбинных установках.

Таким образом, цикл Карно не может быть реализован газообразным рабочим телом (газом) из-за технических проблем осуществления изотермических процессов расширения и сжатия газа.

Использование в качестве рабочего тела пара – газообразного состояния вещества при температуре ниже критической, позволяет относительно просто реализовать цикл Карно.

Паровые теплосиловые установки – это теплосиловые установки, в которых рабочим телом является пар, получаемый испарением легкокипящей жидкости. В качестве такой жидкости наиболее часто используется вода, обладающая следующими преимуществами:

¾ вода находится в жидкой фазе при атмосферном давлении и достаточно низкой температуре;

¾ легкая конденсация в жидкую фазу;

¾ сравнительно низкая теплота парообразования при ;

¾ экологичность, низкая агрессивность в установке, большие природные запасы.

Как известно, фазовые переходы в области влажного насыщенного пара (парообразования и конденсация) являются при постоянном давлении одновременно и изотермическими.

Реализовать изобарный процесс как в газе, так и в паре технически просто.

Если расположить изобарные процессы расширения и сжатия в области влажного насыщенного пара и добавить к ним адиабатные процессы расширения и сжатия, то получим цикл Карно.

насыщенном паре на диаграмме


Рис 1.5 Схема паровой теплосиловой установки, работающей по циклу Карно во влажном насыщенном паре:

ПК – паровой котел;

ЦН – циркуляционный насос;

ПТ – паровая турбина;

В паровой котел ПК поступает влажный насыщенный пар с параметрами и из компрессора КП. На рис.1.3. и 1.4. линия 4-1 – процесс увеличения степени сухости влажного насыщенного пара в паровом котле ПК от до за счет подвода теплоты от сжигания топлива в топке котла ПК. Теплота подводится к насыщенному пару в котле при и . Пар с высокой степенью сухости подается из котла к соплам паровой турбины ПТ при давлении и температуре . Линия 1-2 процесс адиабатного расширения пара в турбине. Расширение пара при истечении из сопел приводит к увеличению его кинетической энергии, которая передается лопатками рабочего колеса турбины и приводит рабочее колесо во вращение.

На выходе из турбины влажный насыщенный пар имеет параметры , и степень сухости , причем , и . С этими параметрами влажный насыщенный пар поступает в конденсатор К – рекуперативный теплообменный аппарат с проточной водой в качестве охлаждающей жидкости. Охлаждающая вода подается в конденсатор циркуляционным насосом ЦН. Линия 2-3 – процесс отъема теплоты при и от влажного насыщенного пара с понижением степени его сухости от до .

С параметрами , и влажный насыщенный пар всасывается компрессором КП. Линия 3-4 – процесс адиабатного сжатия насыщенного пара до давления температуры с уменьшением степени сухости от до .

Но этот цикл не используется из-за проблем реального осуществления процесса сжатия 3-4 в компрессоре. Наличие капель жидкости во влажном насыщенном паре плохо сказывается на работе проточных частей паровой турбины и компрессора. Компрессор предназначен для сжатия газа, а в рассматриваемом процессе 3-4 сжимается влажный насыщенный пар. Из-за неполной конденсации влажного пара в конденсаторе в компрессор поступает влажный пар с большим удельным объемом . Это приводит к необходимости использования компрессоров с увеличенными объемами цилиндров, что увеличивает работу на сжатие пара ( площадь 3-4-5-6 на рис.1.3.).

Термический КПД цикла Карно во влажном паре

Пример 1: при и соответствующем , и соответствующем

Таким образом, эффективность цикла Карно во влажном паре весьма велика.

Так как процессы 4-1 и 2-3 является изобарно-изотермическими, то по формулам для изобарных процессов

по формулам (1.1) необходимо увеличивать давление пара в котле , а для уменьшения необходимо понижать давление в конденсаторе.

При этих изменениях увеличивается , но также увеличиваются объемы цилиндров компрессора.

Таким образом, главными недостатками цикла Карно во влажном паре являются:

1) громоздкость компрессора из-за большого объема цилиндров;

2) большие затраты энергии на сжатии влажного пара в компрессоре с большим объемом цилиндров.

Из-за этих недостатков за идеальный цикл паровой теплосиловой установки принят другой специальный цикл – цикл Ренкина.

Циклы парогазовых установок

Парогазовый цикл – это бинарный цикл, в котором первым рабочим телом в области высоких температур являются продукты сгорания топлива, а вторым в области низких температур – водяной пар.

Парогазовые установки (ПГУ) – это последовательно соединенные газовая и паровая тепловые установки.

Температура газов на входе в паровую турбину газотурбинной установки (ГТУ) составляет 900…1000 о С, а на выходе – более 350 о С.

Температура перегретого водяного пара на входе в паровую турбину паросиловой установки (ПСУ) достигает 600…650 о С, а температура влажного насыщенного пара в конденсаторе ПСУ – лишь 25…30 о С.

Организация бинарного цикла с этими рабочими телами позволяет получить температурный перепад от 900…1000 о С до 25…30 о С, и за счет этого значительно повысить термический КПД всей установки до значений 0,40…0,45.


Идеальный паровой цикл представлен на рис.1.43.

Рис.1.43 Идеальный цикл парогазовой установки:

_ _ _ _ - газовый цикл;

1г-2г – адиабатное расширение газа;

2г-3г – изобарный отвод теплоты от газа;

3г-4г – адиабатное сжатие газа;

4г-1г – изотермический подвод теплоты к газу.

1-2 – адиабатное расширение пара;

2-3 – изотермический отвод теплоты от пара;

3-4 – адиабатное сжатие воды;

4-1 – изобарный подвод теплоты к пару.

Передача теплоты от газа в изобарном Р = const процессе 2г-3г к пароводяному рабочему телу, совершающему изобарный Р1 = const процесс 4-1, происходит в теплообменном аппарате.

Изотермический подвод теплоты к газу 4г-1г практически можно осуществить лишь приближенно, за счет многоступенчатого подвода теплоты при расширении газа.

Изотермический отвод теплоты 2-3 в пароводяном цикле можно осуществить в конденсаторе водяного пара при Р2 = const.

Газовый цикл в парогазовом цикле является открытым, поскольку продукты сгорания топлива (первое рабочее тело) выбрасываются в окружающую среду после теплообмена с водяным рабочим телом.

Пароводяной цикл – закрытый, поэтому в нем могут использоваться не только вода, но и другие вещества, например, углекислый газ (СО2).

Так как реализация изотермического подвода теплоты в паровом цикле сопряжена с серьезными техническими проблемами, то используется изобарный Р = const подвод теплоты, входящий в цикл газотурбинной установки. В идеальном цикле ПГУ с газовым циклом ГТУ на рис.1.44 подвод теплоты происходит в изобарном процессе расширения газа 4г-1г. Коэффициент заполнения такого цикла приближается к единице.


Рис.1.44 Идеальный цикл парогазовой установки с газовым циклом, совершаемым газотурбинной установкой:

_ _ _ _ - цикл ГТУ (газовый цикл);

Комбинированные турбинные установки на органическом топливе делятся на 2 типа:

1. Парогазовые установки (ПГУ);

2. Газопаровые установки (ГПУ).

В ПГУ основная доля теплоты подводится с топливом в паротурбинную часть, а в ГПУ – в камеру сгорания газотурбинной установки.

По взаимодействию рабочих тел ПГУ и ГПУ делятся на 2 группы:

1. С разделенными контурами, в которых пароводяное рабочее тело и продукты сгорания топлива движутся по самостоятельным трактам в газовую и паровую части установок и передают теплоту в теплообменных аппаратах поверхностного типа, то есть без смешивания;

2. Контактного типа, когда пароводяное рабочее тело и продукты сгорания топлива смешиваются перед поступлением в газопаровую турбину.

В дальнейшем рассматриваются только парогазовые установки с разделенными контурами (потоками), которые в свою очередь подразделяются по схемам на:

а) параллельные с высоконапорными парогенераторами (ВПГ);

б) последовательные с низконапорными парогенераторами (НПГ), называемые также ПГУ со сбросом теплоты, или ПГУ сбросного типа.

В ПГУ с НПГ продукты сгорания топлива в газотурбинной установке поступают либо в топку котла для дожигания и газоводяной подогреватель питательной воды (экономайзер), либо сразу в подогреватель питательной воды, называемый газовым подогревателем. Схема ПГУ в НПГ и газовым подогревателем представлена на рис.1.45.


Рис.1.45 принципиальная схема парогазовой установки со сбросом теплоты и газовым подогревателем питательной воды:

ТН – топливный насос;

КС – камера сгорания;

ВК – воздушный компрессор;

ТБ – топливный бак;

ГТ – газовая турбина;

ПК – паровой котел;

ГП – газовый подогреватель;

ПН – питательный насос;

ПТ – паровая турбина;

ЦН – циркуляционный насос.

Воздух сжимается компрессором ВК и подается в камеру сгорания, где образует с топливом смесь, сгорающую при постоянном давлении (Р = const) в камере сгорания КС. Продукты сгорания топлива поступают в газовую турбину ГТ, где расширяются, совершая работу , передаваемую электрогенератору ЭГ.

Газы, отработавшие в газовой турбине ГТ, подаются в газовый подогреватель ГП для подогрева питательной воды паросиловой установки, а затем удаляются в атмосферу.

Большое количество утилизируемой теплоты продуктов сгорания топлива в этом случае позволяет полностью отключить регенеративные подогреватели питательной воды ПСУ, что приводит к увеличению термического КПД и мощности установки. Экономия топлива за счет утилизации теплоты отходящих газов газотурбинной установки достигает 15%. Эффективность ПГУ выше, чем у ПСУ и ГТУ по отдельности.


Рис.1.46 Схема парогазовой установки с высоконапорным парогенератором и газоводяным подогревателем:

ВК – воздушный компрессор;

ВПГ – высоконапорный парогенератор;

ГТ – газовая турбина;

ПГВ – газоводяной подогреватель;

ПН – питательный насос;

ПТ – паровая турбина;

ЦН – циркуляционный насос.

Газоводяной подогреватель питательной воды (экономайзер) ПГВ позволяет увеличить термический КПД за счет частичного отказа от регенеративных подогревателей.

Воздух (окислитель) сжигается в компрессоре ВК и подается в высоконапорный парогенератор ВПГ, где смешивается с жидким или газообразным топливом. Продукты сгорания этой смеси (топливной смеси), отдав часть теплоты водяному пару в самом ВПГ, направляются в газовую турбину ГТ, с которой соединен электрогенератор ЭГ. Отработав в ГТ, продукты сгорания с пониженной энтальпией и давлением направляются в газовый подогреватель ПГВ, где подогревают питательную воду, подаваемую в парогенератор ВПГ. Отдав теплоту питательной воде, в ПГВ, продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. В схеме ПГУ с ВПГ отсутствует паровой котел, функции которого выполняет испарительная поверхность в ВПГ.


Рис.1.47 Цикл парогазовой установки с высоконапорным парогенератором и газоводяным подогревателем

Процессы в газовом цикле:

4г-1г’ - изобарное расширение при Р = const продуктов сгорания топливной смеси с подводом теплоты сгорания (теплоты химических реакций горения), изображаемой площадью а-4г-1г’-е-а и выделяемой в камере сгорания ВПГ;

1г’-1г – изобарная передача теплоты при Р = const от продуктов сгорания к пароводяному рабочему телу через испарительные поверхности и пароперегреватель ПП высоконапорного парогенератор с понижением температуры от Т’Г1 до ТГ1 (площадь с-1г-1г’-е-с);

1г-2г – адиабатное расширение продуктов сгорания с начальной температурой ТГ1 и давлением Р до давления Р и температуры ТГ2 в газовой турбине ГТ;

2г-3г – изобарная передача теплоты при Р = const от продуктов сгорания, отработавших в газовой турбине, к питательной воде в газоводяном подогревателе ПГВ (площадь а-3г-2г-с-а). В точке 3г продукты сгорания, охладившиеся в ПГВ до температуры ТГ3, выбрасываются в атмосферу;

3г-4г – адиабатное сжатие свежей порции воздуха в воздушном компрессоре ВК от давления Р до Р с повышением температуры топливной смеси до ТГ4;

Процессы в пароводяном цикле:

4-Р – регенеративный подогрев питательной воды в газоводяном подогревателе ПГВ при Р1 = const теплотой газового процесса 2г-3г;

Р-5 – подогрев в ВПГ питательной воды из ПГВ до температуры кипения при Р1 = const;

5-6 – парообразование в ВПГ за счет части теплоты газового процесса 1г’-1г;

6-1 – перегрев пара в пароперегревателе ПП за счет части теплоты газового процесса 1г’-1г;

1-2 – адиабатное расширение пара в паровой турбине ПТ от Р1 до Р2 с повышением температуры от Т1 до Т2;

2-3 – конденсация водяного пара в конденсаторе К при Р2 = const и Т2 = const;

3-4 – адиабатное сжатие воды от Р2 до Р1 в питательном насосе ПН с повышением температуры от Т3 до Т4.

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 wН

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 установкиудельный 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 Qт.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 ррп 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 1e, характеризующего работу расширения в турбине установки, в которой не применяется промежуточного перегрева пара (рис. 39б).

Читайте также: