Применение регенеративного цикла

Для повышения экономичности цикла паротурбинной установки необходимо увеличивать среднюю температуру подвода теплоты в цикле. Поэтому большое значение имеет повышение температуры питательной воды, т.е. температуры, с которой начинается подвод теплоты в цикле. Этого можно достичь, если применить принцип регенерации теплоты (рис.1.44).

Рис. 1.44. Регенеративный цикл
паротурбинной установки в Т s -диаграмме

В данном случае под регенерацией понимают использование теплоты рабочего тела, совершившего в цикле механическую работу, на другом участке цикла. Для осуществления регенерации необходимо, чтобы в цикле имелись участки, на которых подвод и отвод теплоты производились бы в одинаковых температурных условиях.

Рассматривая изображение цикла Ренкина в Т s -диаграмме, можно установить, что наиболее подходящим для осуществления регенерации является участок нагрева питательной воды (линия к ¢ – b). Для регенерации теплоты необходимо провести расширение пара по адиабате только до точки а (процесс 0-а), а затем – по политропе а-с, эквидистантной линии нагрева воды к ¢ – b, и всю выделившуюся при этом теплоту (площадь a – d – e – c – a) передать в идеальном теплообменнике воде (площадь a’-g-f-к’-a’). В результате к питательной воде на участке к ¢ – a ¢ будет подведена теплота q _p.

Таким образом, выгода от применения регенерации заключается, во-первых, в снижении термодинамической необратимости процесса подвода теплоты на участке к ¢ – к, во-вторых, в снижении потерь теплоты, поскольку в цикле с регенерацией отводимая в холодном источнике теплота (площадь c – e – f – к ¢ – c) меньше, чем в цикле Ренкина (площадь кt – d – f – к ¢ – кt).

На практике такую идеальную регенерацию осуществить не удается, но в несколько ином виде регенеративный подогрев воды применяется очень широко, так как позволяет существенно увеличить экономичность цикла.

В реальных паротурбинных установках с регенеративным подогревом питательной воды (РППВ) принцип регенерации реализуется путем подогрева питательной воды в регенеративных пароводяных подогревателях, в которые поступает пар, отбираемый из турбины. Принципиальная схема паротурбинной установки с двумя отборами пара на регенеративный подогрев питательной воды приведена на рис.1.45.

a б

 

Рис.1.45.Паротурбинная установка с регенеративным подогревом питательной воды

а – схема; б – процесс расширения пара в турбине в hs –диаграмме:

ПК– паровой котел; Пе – пароперегреватель; Т – турбина; К – конденсатор; КН – конденсатный насос; ПН – питательный насос; С – смеситель; П1, П2 – регенеративные подогреватели; Г – электрогенератор 1, 2 – отборы пара в турбине; 0- кt – теоретический процесс расширения пара в турбине; 0- к – действительный процесс расширения пара в турбине

Из пароперегревателя котла пар поступает в турбину. Из 1 кг пара, поступившего от котла, через первый отсек турбины (0–1) проходит весь пар. Расширяясь до давления р ₁ (рис.1.45, б), он совершает удельную работу l ₁= h ₀ – h ₁. После расширения в первом отсеке турбины некоторая доля от 1 кг пара a₁ с энтальпией h ₁ отбирается к подогревателю П1, где отдает свою теплоту питательной воде и конденсируется. В приведенной на схеме установке применены регенеративные подогреватели поверхностного типа, вода проходит внутри трубок, пар конденсируется снаружи. Пунктиром показан отвод из подогревателей конденсата греющего пара (дренажа). Во втором отсеке турбины (1–2) остальное количество пара (1 – a₁) расширяется до давления p₂ и совершает удельную работу l ₁₁ = (1 – a₁) (h ₁ – h ₂). После расширения от него отбирается в подогреватель П2 доля пара a₂ с энтальпией h ₂. Оставшиеся a_к = (1 – a₁ – a₂) пара расширяются в третьем отсеке турбины до конечного давления p_к, совершают удельную работу l _к = a_к (h ₂ – h _к) и поступают в конденсатор. Далее с помощью конденсатного и питательного насосов вода, нагреваясь в смесителе и регенеративных подогревателях, подается в котел.

	Процессы цикла с РППВ: 0-кt – адиабатное расширение пара в турбине, S=const; 0-1t – процесс в первом отсеке турбины; 1t-2t – процесс во втором отсеке турбины; 2t-кt – процесс в третьем отсеке турбины; 1t-1’ – отвод теплоты от пара в П1, р1=const; 2t-2’ – конденсация пара в П2, р2=const; кt-к’ – конденсация пара в К, рк=const; к’-0 – подвод тепла к рабочему телу в С, П1, П2 и в котле
Рис. 1.46. T s -диаграмма цикла паротурбинной установки с двумя регенеративными отборами пара

Вода последовательно нагревается в смесителе за счет теплоты конденсата отборного пара из П1 и П2, а затем в регенеративных подогревателях. На выходе из П1 ее температура близка к температуре насыщения t_н1 при давлении р ₁, а в установке со смешивающими подогревателями равна t_н1.

Таким образом, по сравнению с циклом Ренкина вода на входе в котел имеет значительно более высокую температуру, и тепло, которое необходимо подвести к 1 кг рабочего тела в котле, значительно меньше.

Учитывая, что при отсутствии регенерации в конденсатор поступает весь расход пара, подаваемый на турбину (a_к =1), получаем, что в турбоустановке с регенерацией, приведенной на рис.1.45,а, расход пара в конденсатор a_к =(1–a₁–a₂) меньше, чем в установке без регенерации. Следовательно, меньше и потеря теплоты в конденсаторе.

В идеальном цикле с РППВ (рис.1.46) потеря теплоты составляет q ₂ = a_к (h _{к t} – h _к¢), а в действительном эта потеря равна q ₂ = a_к (h _к – h _к¢). При этом потеря теплоты тем меньше, чем меньше a_к, т.е. больше доля отбираемого пара. Поэтому значительно большее повышение экономичности можно получить, применяя не одну или две, а несколько ступеней подогрева питательной воды. Эффективность регенеративного подогрева воды зависит от его параметров. Она наибольшая при равномерном распределении подогрева воды по ступеням.

На рис.1.47 показаны кривые относительного повышения термического КПД цикла в зависимости от температуры воды и числа ступеней подогрева z при равномерном распределении подогрева воды.

Рис.1.47.Зависимость прироста термического КПД цикла ПТУ с РППВ
от температуры питательной воды t _пв и числа ступеней РППВ z

Из этого графика следует:

1.Чем больше число отборов и подогревателей (z), тем выше КПД цикла.

2.Максимум КПД достигается при оптимальном значении температуры питательной воды для установки с заданным z.

3.С увеличением числа ступеней РППВ оптимальная температура питательной воды увеличивается.

4.С увеличением числа z прирост термического КПД замедляется. Каждый последующий отбор оказывает все меньшее влияние на повышение КПД.

На практике в энергетических ПТУ применяют 7–8 ступеней регенеративного подогрева питательной воды, что позволяет повысить термический КПД ПТУ на 15–17 % (относительных).

Запишем выражения для расчета теплоты, работы и КПД цикла для установки, изображенной на рис.1.45, а в допущении, что работа насоса равна нулю.

Полная работа 1 кг пара в идеальном цикле с РППВ равна сумме работ, совершенных паром во всех отсеках турбины.

Теоретически

l _р = l _I + l _II + l _к = h ₀ –h _{1 t} + (1 – a₁)×( h _{1 t} –h _{2 t} ) + (1 – a₁ – a₂)×( h _{2 t} – h _{к t} ) =

= h ₀ – a₁ h _{1 t}– a₂ h _{2 t}– a_к h _{к t}. (1.99)

Расход теплоты на турбоустановку с регенерацией равен разности начальной энтальпии пара h ₀ и энтальпии питательной воды h _пв:

q ₁^p= h ₀ – h _пв, кДж/кг (1.100)

Термический КПД цикла паротурбинной установки с регенерацией

. (1.101)

В реальном цикле с РППВ, с учетом внутренних потерь в турбине, работа турбины

l_i ^р = H_i ^р = h ₀ –h ₁ + (1 – a₁)×( h ₁ –h ₂) + (1 – a₁ – a₂)×( h ₂ – h _к) =

= h ₀ – a₁ h ₁ – a₂ h ₂ – a_к h _к. (1.102)

Величина H_i^р называется приведенным теплоперепадом турбины.

Если число подогревателей n, то действительная работа 1 кг пара в турбине равна приведенному теплоперепаду H_i ^p:

, (1.103)

где h ₀—начальная энтальпия пара, a _j и h_j – доля отбираемого пара и его энтальпия, соответственно; a_к и h _к – доля пара, поступающего в конденсатор, и его энтальпия, j – номер отбора пара.

Заменяя , получим:

. (1.104)

В этом выражении каждый член суммы означает недовыработку j- го отбора пара, а сама сумма – общую недовыработку из-за того, что пар выходит в отборы с энтальпией h_j > h _к.

Отношение недовыработки пара к действительному теплоперепаду турбины называется коэффициентом недовыработки мощности. Для j- го отбора пара коэффициент недовыработки мощности равен

. (1.105)

С учетом этого приведенный теплоперепад для турбины с n отборами

, кДж/кг. (1.106)

Энтальпию питательной воды можно в установке рассматриваемого типа определить по балансу теплоты в смесителе:

, (1.107)

где h _к¢ – энтальпия конденсата на выходе из конденсатора.

Тогда абсолютный внутренний КПД паротурбинной установки с РППВ

. (1.108)

Внутренняя мощность ПТУ с РППВ

, кВт. (1.109)

Расход пара на турбину в ПТУ с РППВ

(1.110)

Здесь величина , поэтому всегда расход пара на турбину G в установке с РППВ больше, чем в ПТУ, работающей по циклу Ренкина. Увеличение расхода пара в данном случае не означает ухудшения термической эффективности установки, так как РППВ значительно снижает расход тепла на турбоустановку.

Расходы пара в отборы турбины определяются конденсирующей способностью подогревателей. Пароводяные подогреватели обладают разной конденсирующей способностью, которая зависит от расхода и температуры воды, а также от давления пара в подогревателе. В подогреватель поступает столько пара, сколько может сконденсироваться в нём, поскольку теплота, выделяющаяся при конденсации пара, должна быть воспринята питательной водой.

Для определения долей расходов пара в отборы турбины используются балансы теплоты подогревателей – уравнения, в которых левая (правая) часть есть теплота, отдаваемая греющим паром, а другая часть – теплота, воспринятая водой.

На примере установки с двумя регенеративными отборами (рис.1.45) определим расходы пара в регенеративные подогреватели по их балансам теплоты.

Изобразим расчетную схему подогревателей:

Для подогревателя П1

. (1.111)

Для подогревателя П2

. (1.112)

В рассмотренных выше циклах паротурбинной установки (циклах Ренкина, с промежуточным перегревом, с регенеративным подогревом питательной воды) холодным источником является конденсатор и отвод теплоты в окружающую среду происходит в процессе конденсации отработавшего пара при давлении 3¸5 кПа. Такие циклы называются конденсационными.

Электростанцию, на которой осуществляется конденсационный цикл, называют конденсационной электростанцией (КЭС).

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: